FLUJO | Motion (Physics)

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  temas de flujo laminar, turbulento
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  FLUJO CAUDAL  La medida fundamental que describe el movimiento de un fluido es el caudal. Decir que el río Paraná es más caudaloso que el Uruguay indica que el primero transporta más agua que el segundo en la misma cantidad de tiempo. A su vez, la cantidad de fluido puede medirse por su masa o por su volumen (siempre que su densidad sea constante, cosa que supondremos que es así), de modo que: caudal    =   masa Q   =   m (caudal de masa) tiempo    Δt    caudal    =   volumen Q   =   Vol (caudal de volumen) tiempo    Δt   Como te dije, ambos describen el mismo fenómeno. Voy a usar sólo el segundo, que se medirá en unidades de volumen sobre unidades de tiempo. Las unidades oficiales (Sistema Internacional): [ Q ]   =   m 3    s  pero hay varias otras que se utilizan, sobre todo, en clínica: [ Q ]  =  l   / min , ml   / h... etc. Fijate que se acostumbra usar V   (mayúscula) para volumen y v   (minúscula) para velocidad, que en este capítulo de la física se mezclan mucho (a veces usaré Vol que, aunque es incorrecto, te va a resultar más claro). Acá tenés algunos caudales típicos: La clasificación de los flujos obedece a la variable que sea de interés en una situación dada. Esas variables pueden referirse al fluido o al flujo mismo, y entre ellas se pueden mencionar la viscosidad y la densidad del fluido, o la  permanencia, el orden, la región, la vorticidad y el comportamiento espacial del flujo. Cada característica del fluido o del flujo srcinará una clasificación  particular y existen muchas otras propiedades y características que se pueden agregar a las enunciadas.. Viscosidad del fluido Si el fluido que forma el flujo es real su viscosidad es positiva y se tratará de un flujo real. Para ciertas aproximaciones se ignorará el efecto de la viscosidad y se le asignará un valor nulo a la resistencia viscosa. En ese caso el fluido es ideal y el flujo así formado también lo será. Densidad del fluido   Si el flujo se da para un fluido de densidad constante, el fluido y el flujo se denominarán incompresibles. El flujo será compresible si el fluido que lo origina lo es y en ese caso la función de densidad será un campo escalar de posición y tiempo. Permanencia del flujo Si las características del flujo son invariantes en el tiempo, esto es, permanecen, se dirá que el flujo es permanente, de lo contrario se clasificará como flujo no  permanente. Una característica particularmente importante desde este punto vista es la velocidad. Así se tendrán campos de velocidad para flujos permanentes o  para flujos no permanentes: Flujo no permanente: V = V (x, y, z, t) Flujo permanente: V = V (x, y, z) Orden del flujo El orden del flujo dará srcen a los flujos laminares o turbulentos. Esta característica depende de la combinación de las propiedades del flujo, del fluido y de la región de flujo. En el flujo laminar las partículas viajan siguiendo trayectorias muy definidas, sean rectilíneas o curvilíneas, sin variaciones macroscópicas de la velocidad, de manera que unas capas o láminas de flujo se deslizan o escurren las unas sobre las otras. En el flujo turbulento ocurren fluctuaciones irregulares del flujo, las partículas intercambian cantidad de movimiento lineal y angular. El asunto fue abordado por Osborne Reynolds quien en la Inglaterra de 1883 logró establecer los criterios para la clasificación de los flujos desde este punto de vista. Este criterio es el número de Reynolds (R=  VD/  ) que indica flujo laminar para valores bajos y flujo turbulento para valores altos y muestra la influencia que tienen las variables del fluido (  ,  ), las del flujo (V) y las de la región del flujo (D) en el orden del movimiento de las  partículas fluidas. Región de flujo Los flujos reales ocurren en el espacio y por consiguiente sus características, estrictamente, varían en tres coordenadas espaciales y en el tiempo. Esos son los flujos tridimensionales. En muchos casos prácticos, con resultados satisfactorios, se ignora la variación de las propiedades del fluido y de las características del flujo a lo largo de una de  las direcciones del espacio y se obtiene un flujo bidimensional. En el caso real se  puede estudiar un flujo con esta simplificación y posteriormente introducir las correcciones en los bordes o fronteras de la región de flujo para lograr la conformidad con la naturaleza. Ejemplos de estas situaciones son aquellas que se dan en el flujo alrededor de la pila sumergida de un puente, o alrededor de un  perfil alar, o sobre la cresta de un vertedero de caudales máximos en una presa. En otras situaciones se puede simplificar aún más el flujo que se estudia y considerar que la variación de las propiedades del fluido y las características medias del flujo varían solamente a lo largo de una dirección en el espacio y con el tiempo. Ejemplos de tales situaciones son el flujo a lo largo de una tubería o de un canal donde se considera que las propiedades del fluido y las características medias del flujo tienen valores que solamente dependen de la abscisa a lo largo del conducto y del tiempo. Para este caso puede ser muy útil el sistema coordenado de línea (s, t). Vorticidad del flujo Una partícula fluida, en el seno de un medio fluido en movimiento, está sometida a esfuerzos normales (presión) y cortantes (fricción) y como consecuencia de la acción combinada de los esfuerzos cortantes que soporta puede rotar sobre alguno o algunos de sus ejes. La velocidad angular es particular alrededor de cada eje. La combinación de esas velocidades angulares srcina que la partícula rote en el espacio con mayor o menor rapidez, o que no rote en absoluto respecto a ningún eje. En parte eso depende de la distribución de velocidades a lo largo de cada una de las direcciones espaciales y de la viscosidad misma del fluido. Si alguna partícula del flujo rota se dirá que el flujo es rotacional. Si ninguna  partícula lo hace se dirá que el flujo es irrotacional. Analíticamente se encuentra que esto queda expresado por el vector vorticidad que no es más que la aplicación del operador rotacional al campo de velocidades: Flujo rotacional, si la vorticidad es diferente de cero Flujo irrotacional, si la vorticidad es nula Comportamiento espacial   Si las características del fluido y del flujo no cambian entre los diferentes puntos de la región de flujo se tiene un flujo uniforme. Si esas características varían de uno a otro punto dentro de la región de flujo se tiene un flujo variado. A su vez, si la variación del flujo en el espacio ocurre con pequeñas modificaciones en el recorrido por el espacio se tendrá un flujo gradualmente variado y si tal variación ocurre precipitadamente, en relativamente cortas distancias y con acentuada concavidad de la geometría del flujo, se tiene flujo rápidamente variado. Extensión del campo de flujo El flujo interno corresponde al flujo en una región limitada, el flujo externo se refiere al flujo en una región no limitada, donde el foco de atención está en el patrón de flujo alrededor de un cuerpo sumergido en el fluido. CLASIFICACIÓN DEL FLUJO   El movimiento de los fluidos puede clasificarse de muchas maneras, según diferentes criterios y según sus diferentes características, este puede ser:   Flujo turbulento : Este tipo de flujo es el que mas se presenta en la practica de ingeniería. En este tipo de flujo las partículas del fluido se mueven en trayectorias erráticas, es decir, en trayectorias muy irregulares sin seguir un orden establecido, ocasionando la transferencia de cantidad de movimiento de una porción de fluido a otra, de modo similar a la transferencia de cantidad de movimiento molecular pero a una escala mayor.   En este tipo de flujo, las partículas del fluido pueden tener tamaños que van desde muy pequeñas, del orden de unos cuantos millares de moléculas, hasta las muy grandes, del orden de millares de pies cúbicos en un gran remolino dentro de un río o en una ráfaga de viento.   Cuando se compara un flujo turbulento con uno que no lo es, en igualdad de condiciones, se puede encontrar que en la turbulencia se desarrollan mayores esfuerzos cortantes en los fluidos, al igual que las pérdidas de energía mecánica, que a su vez varían con la primera potencia de la velocidad.   La ecuación para el flujo turbulento se puede escribir de una forma análoga a la ley de Newton de la viscosidad:  
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