Introducción
La importancia de la mecánica de fluidos aparece cuando consideramos el papel vital que juega en nuestra vida cotidiana. Cuando abrimos la llave del agua de nuestra casa, activamos una compleja red de tuberías, válvulas y bombas. Cuando accionamos un interruptor de luz estamos manejando energía ya sea de una fuente hidroeléctrica que es operada por el flujo de agua a través de turbinas o de una fuente de energía térmica por el flujo de vapor que pasa por los álabes de una turbina. También se incluyen procesos muy complejos de fluidos en la fabricación de muchos productos, por ejemplo el papel.
El cuerpo humano también forma parte del estudio de la mecánica de fluidos, por ejemplo, el corazón bombea constantemente sangre a todas las partes del cuerpo a través de las arterias y venas. Es importante saber que los corazones artificiales, las máquinas de respiración y los sistemas de diálisis están diseñados con base en la mecánica de fluidos, su aplicación tiene infinidad de utilidades en muchas actividades y desempeña una parte importante en el diseño y análisis de aviones, barcos, submarinos, cohetes, motores de propulsión a chorro, aparatos biomédicos, sistemas de enfriamiento de sistemas electrónicos y ductos de transporte de agua, petróleo crudo y gas natural, también se considera para el diseño de edificios, puentes e incluso vallas publicitarias para asegurar que las estructuras puedan soportar la intensidad del viento.
El diseño de muchos sistemas de ingeniería, como las presas para agua y los tanques de almacenamiento de líquidos, exigen determinar las fuerzas que actúan sobre las superficies aplicando la estática de fluidos. El desarrollo continuo en la ciencia y tecnología ha tomado gran importancia en la educación ya que es de suma importancia para el ingeniero estar a la vanguardia para que desarrolle competencias profesionales que resultan indispensables en el mundo actual, las cuales serán resultado de un conjunto de aprendizaje acumulativo, enfatizado en la aplicación del conocimiento. La ausencia de instrucción en el uso de programas computacionales, provocan un desfase en los estudiantes con respecto a las herramientas y tecnologías de cómputo.
Con el presente trabajo se pretende proporcionar información a los estudiantes de la Facultad a la iniciación de diseño o especificación de equipo para el transporte de fluidos con ayuda de rutinas de programación. En la Facultad de Estudios Superiores Zaragoza, específicamente en el quinto semestre, el estudiante de ingeniería química, debe entender los conocimientos adquiridos en esta área del transporte de fluidos.
Mecánica de fluidos
Ciencia que trata del comportamiento de los fluidos en reposo o en movimiento, y su interacción con sólidos u otros fluidos.
Esta sección describe los conceptos de la Mecánica de Fluidos, es pertinente revisar primero estos dos vídeos de menos de 15 minutos cada uno.
La mecánica de fluidos es una rama de la mecánica de los medios continuos, y esta a su vez es una rama de la física que estudia el movimiento de los fluidos y las fuerzas que los provocan; los fluidos se dividen en Gases y Líquidos, estos tienen una característica similar y es que son incapaces de resistir esfuerzos cortantes, y esto provoca que no tengan una forma definida.
La mecánica de fluidos es fundamental en campos tan diversos como la aeronáutica, la ingeniería química , civil e industrial, la meteorología, las construcciones navales y la oceanografía.
La mecánica de fluidos puede dividirse en dos aspectos importantes que son:
La Estática de Fluidos : Que se ocupa de los fluidos en reposo, es decir sin que existan fuerzas que alteren su posición.
La Dinámica de Fluidos: Que se ocupa de los fluidos en movimiento, es decir que están bajo fuerzas que alteran su posición.
También está la Hidrodinámica, esté término se aplica al flujo de líquidos o al flujo de gases a baja velocidad, en el que puede considerarse que el gas es esencialmente incomprensible. La aerodinámica o dinámica de gases, se ocupa del comportamiento de los gases cuando los cambios de velocidad y presión son lo suficientemente grandes para que sea necesario incluir los efectos de la compresibilidad.
Entre las aplicaciones de la mecánica de fluidos están la propulsión a chorro, las turbinas, los compresores y las bombas.
Hidrostática
Al considerar varios tipos de fluidos en condiciones estáticas, algunos pueden presentar cambios muy pequeños en su densidad a pesar de estar sometidos a grandes presiones. Inevitablemente, estos fluidos se encuentran en estado líquido cuando presentan este comportamiento. En tales circunstancias, el fluido se denomina incompresible y se supone que su densidad es constante para los cálculos. El estudio de fluidos incompresibles en condiciones estáticas se conoce como hidrostática. Cuando la densidad no puede considerarse constante bajo condiciones estáticas como en un gas, el fluido se denomina compresible.
Los fluidos ejercen fuerzas tanto normales como cortantes sobre las superficies que están en contacto con ellos. Sin embargo, únicamente los fluidos con gradientes de velocidad producen esfuerzos cortantes; por tanto, para aquellos que están en reposo existen tan sólo fuerzas normales. Estas fuerzas normales en los fluidos se llaman fuerzas de presión.
La presión se define como una fuerza normal ejercida por un fluido por unidad de área, se habla de presión solo cuando se trata de un gas o un líquido, las unidades de la presión son N/m^2 o Pa.
Presión estática. En cada punto de un fluido estático existe una cierta cantidad de presión. De modo específico, la intensidad de la presión, llamada simplemente presión, se define como sigue:
P = F/A
Donde F es la fuerza normal que actúa sobre el área A. La intensidad de presión es una unidad cantidad escalar, esto es, tiene tan sólo magnitud y actúa de igual modo en todas direcciones.
Presión hidrostática
Suma de presiones con Tubo piezoeléctrico
Medición de la Presión
Presión absoluta, presión manométrica y de vacío. En una región como el espacio exterior que está virtualmente vacío de gases, la presión es esencialmente cero. Tal condición puede lograrse en forma muy aproximada en el laboratorio, donde una bomba de vacío se utiliza para vaciar una botella. La presión en el vacío se denomina cero absoluto, y todas las presiones respecto a esta presión cero se llaman presiones absolutas. De ahí que la presión atmosférica al nivel del mar en un día particular está dada por 101 kN/m^2, que equivale a 760mm de deflexión en un barómetro de mercurio. La presión manométrica es aquella que se determina en un medidor de presión. Las presiones manométrica y absoluta suelen identificarse después de la unidad.
Siempre que la presión atmosférica se utiliza como referencia (o en otras palabras, cuando se mide la presión manométrica) existe la posibilidad de que la presión medida pueda ser ya sea positiva o negativa. A las presiones manométricas negativas también se les llama presiones de vacío.
Manómetros diferenciales. A menudo es deseable medir la diferencia de presión entre dos puntos en un tubo, y para esta aplicación se conecta un manómetro a los dos puntos entre los cuales se va a medir la diferencia de presión.
Manómetro de tubo Bourdon. Este tipo de manómetro consta de un tubo que tiene una sección transversal elíptica doblado en un arco circular, cuando la presión atmosférica (presión manométrica cero) prevalece en el manómetro, el tubo no se deflexiona; para ello la aguja del manómetro está calibrada para leer la presión cero. Cuando se aplica presión al manómetro el tubo curvado tiende a enderezarse, de este modo se acciona la aguja para leer la correspondiente alta presión. El manómetro de tubo de Bourdon es un tipo de manómetro muy común, el cual es confiable si no se somete a excesivas pulsaciones de presión o a choques externos indebidos.
Medición en pozo inclinado
Hidrodinámica
Hidrodinámica. El flujo de fluidos es complejo y no siempre puede ser estudiado de forma exacta mediante el análisis matemático. Contrariamente a lo que sucede con los sólidos, las partículas de un fluido en movimiento puede tener diferentes velocidades y estar sujetas a distintas aceleraciones. Tres principios fundamentales que se aplican al flujo de fluidos son:
a) El principio de conservación de la masa, a partir del cual se establece la ecuación de continuidad.
b) El principio de conservación de la energía, a partir del cual se deducen ciertas ecuaciones aplicadas al flujo.
c) El principio de la cantidad de movimiento, a partir del cual se deduce ecuaciones para calcular las fuerzas dinámicas ejercidas por los fluidos en movimiento.
Ecuación de Bernoulli y Principio de Toricelli
Ejemplo de aplicación
Ecuación de continuidad
Canales de Youtube
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