Introducción
En el capítulo anterior se demostró que las situaciones matemáticas exactas para las fuerzas ejercidas por fluidos en reposo se pueden obtener fácilmente. Esto se debe a que en la hidrostática solo intervienen fuerzas de presión simples. Cuando se considera un fluido en movimiento, el problema del análisis se vuelve mucho más difícil. No solo hay que tener en cuenta la magnitud y la dirección de la velocidad de las partículas, sino también la compleja influencia de la viscosidad, que provoca una tensión de cizallamiento o fricción entre las partículas del fluido en movimiento y en los límites que lo contienen. El movimiento relativo posible entre los diferentes elementos del cuerpo del fluido hace que la presión y la tensión de cizallamiento varíen considerablemente de un punto a otro según las condiciones de flujo. Debido a las complejidades asociadas con el fenómeno del flujo, un análisis matemático preciso solo es posible en unos pocos casos, y desde el punto de vista de la ingeniería, resulta poco práctico. Por lo tanto, es necesario resolver los problemas de flujo mediante experimentación o mediante ciertas suposiciones simplificadoras suficientes para obtener una solución teórica. Ambos enfoques no son mutuamente excluyentes, ya que las leyes fundamentales de la mecánica siempre son válidas y permiten adoptar métodos parcialmente teóricos en varios casos importantes. Asimismo, es importante determinar experimentalmente el grado de desviación de las condiciones reales que se produce como consecuencia de un análisis simplificado.
La suposición simplificadora más común es que el fluido es ideal o perfecto, eliminando así los efectos viscosos que complican el análisis. Esta es la base de la hidrodinámica clásica, una rama de las matemáticas aplicadas que ha recibido la atención de eminentes académicos como Stokes, Rayleigh, Rankine, Kelvin y Lamb. La teoría clásica presenta serias limitaciones inherentes, pero dado que el agua tiene una viscosidad relativamente baja, se comporta como un fluido real en muchas situaciones. Por esta razón, la hidrodinámica clásica puede considerarse una base muy valiosa para el estudio de las características del movimiento de fluidos. El presente capítulo se centra en la dinámica fundamental del movimiento de fluidos y sirve como introducción básica a los capítulos siguientes que tratan los problemas más específicos que se presentan en la hidráulica de la ingeniería civil. Se derivan las tres ecuaciones básicas importantes del movimiento de fluidos: las ecuaciones de continuidad, Bernoulli y de cantidad de movimiento, y se explica su significado. Posteriormente, se consideran las limitaciones de la teoría clásica y se describe el comportamiento de un fluido real. Se asume un fluido incompresible en todo momento.
Tipos de flujo
Los distintos tipos de movimiento de fluidos se pueden clasificar de la siguiente manera:
1. Turbulento y laminar
2. Rotacional e irrotacional
3. Estable e inestable
4. Uniformes y no uniformes.
Bomba sumergible para aguas residuales
Las bombas de flujo axial de la serie MVS y las bombas de flujo mixto de la serie AVS (bombas sumergibles para aguas residuales de flujo axial vertical y flujo mixto) son productos modernos diseñados con éxito mediante la adopción de tecnología extranjera de vanguardia. La capacidad de las nuevas bombas es un 20 % mayor que la de las anteriores. Su eficiencia es entre un 3 % y un 5 % superior.
Flujo turbulento y laminar.
Estos términos describen la naturaleza física del flujo.
En el flujo turbulento, la progresión de las partículas de fluido es irregular y existe un intercambio de posición aparentemente aleatorio. Las partículas individuales están sujetas a velocidades transversales fluctuantes, de modo que el movimiento es sinuoso y turbulento en lugar de rectilíneo. Si se inyecta un colorante en un punto determinado, se difundirá rápidamente por toda la corriente de flujo. En el caso del flujo turbulento en una tubería, por ejemplo, un registro instantáneo de la velocidad en una sección revelaría una distribución aproximada como la que se muestra en la Figura 1(a). La velocidad constante, tal como la registrarían los instrumentos de medición normales, se indica con un contorno punteado, y es evidente que el flujo turbulento se caracteriza por una velocidad fluctuante inestable superpuesta a una media constante temporal.
Figura 1(a) Flujo turbulento
Figura 1(b) Flujo laminar
En el flujo laminar, todas las partículas de fluido se mueven por trayectorias paralelas y no existe componente transversal de la velocidad. La progresión ordenada es tal que cada partícula sigue exactamente la trayectoria de la partícula que la precede sin ninguna desviación. Por lo tanto, un filamento delgado de tinte permanecerá como tal sin difusión. Existe un gradiente de velocidad transversal mucho mayor en el flujo laminar (Fig. 1b) que en el flujo turbulento. Por ejemplo, para una tubería, la relación entre la velocidad media V y la velocidad máxima Vmax es 0,5 en flujo turbulento y 0,05 en flujo laminar.
El flujo laminar se asocia con bajas velocidades y fluidos viscosos y lentos. En la hidráulica de tuberías y canales abiertos, las velocidades son casi siempre lo suficientemente altas como para garantizar un flujo turbulento, aunque persiste una fina capa laminar cerca de un límite sólido. Las leyes del flujo laminar se comprenden completamente y, para condiciones de contorno simples, la distribución de velocidad puede analizarse matemáticamente. Debido a su naturaleza pulsante e irregular, el flujo turbulento ha resistido un tratamiento matemático riguroso, y para la solución de problemas prácticos, es necesario recurrir en gran medida a relaciones empíricas o semiempíricas.
Bomba contra incendios de turbina vertical
Número de modelo: XBC-VTP
Las bombas contra incendios verticales de eje largo de la serie XBC-VTP son bombas difusoras de una o varias etapas, fabricadas conforme a la norma nacional GB6245-2006. Además, hemos mejorado su diseño basándonos en la norma de la Asociación de Protección contra Incendios de Estados Unidos (USFP). Se utilizan principalmente para el suministro de agua contra incendios en industrias como la petroquímica, el gas natural, las centrales eléctricas, la textil, los muelles, la aviación, el almacenamiento y la construcción de edificios de gran altura, entre otras. También son aptas para su uso en buques, tanques marítimos, barcos contra incendios y otras aplicaciones.
Flujo rotacional e irrotacional.
Se dice que el flujo es rotacional si cada partícula de fluido tiene una velocidad angular alrededor de su propio centro de masa.
La figura 2a muestra una distribución de velocidad típica asociada con el flujo turbulento más allá de un límite recto. Debido a la distribución de velocidad no uniforme, una partícula con sus dos ejes originalmente perpendiculares sufre una deformación con un pequeño grado de rotación. En la figura 2a, el flujo en un circuito circular
Se representa la trayectoria, con una velocidad directamente proporcional al radio. Los dos ejes de la partícula giran en la misma dirección, de modo que el flujo vuelve a ser rotacional.
Figura 2(a) Flujo rotacional
Para que el flujo sea irrotacional, la distribución de velocidad adyacente al límite recto debe ser uniforme (Fig. 2b). En el caso de un flujo en una trayectoria circular, se puede demostrar que el flujo irrotacional solo se dará si la velocidad es inversamente proporcional al radio. A primera vista, la Figura 3 muestra que esto es erróneo, pero un análisis más detallado revela que los dos ejes giran en direcciones opuestas, lo que produce un efecto compensatorio que genera una orientación promedio de los ejes que permanece inalterada respecto al estado inicial.
Figura 2(b) Flujo irrotacional
Dado que todos los fluidos poseen viscosidad, el flujo laminar nunca es verdaderamente irrotacional, y, por supuesto, es altamente rotacional. Por lo tanto, el flujo irrotacional es una condición hipotética que solo tendría interés académico si no fuera porque, en muchos casos de flujo turbulento, las características rotacionales son tan insignificantes que pueden despreciarse. Esto resulta conveniente, ya que es posible analizar el flujo irrotacional mediante los conceptos matemáticos de la hidrodinámica clásica mencionados anteriormente.
Bomba centrífuga de destino de agua de mar
Número de modelo: ASN ASNV
Las bombas de los modelos ASN y ASNV son bombas centrífugas de una sola etapa, doble aspiración y carcasa de voluta dividida, utilizadas para el transporte de líquidos en plantas de tratamiento de agua, sistemas de circulación de aire acondicionado, edificios, riego, estaciones de bombeo de drenaje, centrales eléctricas, sistemas de suministro de agua industrial, sistemas contra incendios, barcos, edificios, etc.
Flujo constante e inestable.
Se dice que un flujo es estacionario cuando las condiciones en cualquier punto permanecen constantes en el tiempo. Una interpretación estricta de esta definición llevaría a la conclusión de que el flujo turbulento nunca es realmente estacionario. Sin embargo, para los fines que nos ocupan, conviene considerar el movimiento general del fluido como criterio y las fluctuaciones erráticas asociadas a la turbulencia como una influencia secundaria. Un ejemplo claro de flujo estacionario es un caudal constante en un conducto o canal abierto.
Como corolario, se deduce que el flujo es inestable cuando las condiciones varían con respecto al tiempo. Un ejemplo de flujo inestable es un caudal variable en un conducto o canal abierto; este suele ser un fenómeno transitorio que sucede o es seguido por un caudal constante. Otros ejemplos conocidos
Ejemplos de naturaleza más periódica son el movimiento ondulatorio y el movimiento cíclico de grandes masas de agua en el flujo de las mareas.
La mayoría de los problemas prácticos en ingeniería hidráulica se refieren a flujos estacionarios. Esto es ventajoso, ya que la variable tiempo en los flujos no estacionarios complica considerablemente el análisis. Por consiguiente, en este capítulo, el estudio de los flujos no estacionarios se limitará a unos pocos casos relativamente sencillos. Sin embargo, es importante tener en cuenta que varios casos comunes de flujo no estacionario pueden reducirse al estado estacionario gracias al principio de movimiento relativo.
Así, un problema que involucra una embarcación que se mueve a través de aguas tranquilas puede reformularse de manera que la embarcación esté estacionaria y el agua esté en movimiento; el único criterio para la similitud del comportamiento del fluido es que la velocidad relativa sea la misma. Nuevamente, el movimiento de las olas en aguas profundas puede reducirse a la
estado estacionario asumiendo que un observador viaja con las ondas a la misma velocidad.
Bomba de drenaje de agua centrífuga de eje en línea multietapa con turbina vertical y motor diésel. Este tipo de bomba de drenaje vertical se utiliza principalmente para bombear aguas residuales o desechos sin corrosión, a temperaturas inferiores a 60 °C y con un contenido de sólidos en suspensión (sin incluir fibras ni arena) inferior a 150 mg/L. La bomba de drenaje vertical tipo VTP se encuentra en las bombas de agua verticales tipo VTP, y sobre la base del aumento y el collar, se establece la lubricación del tubo con aceite en el agua. Puede enviar aguas residuales o desechos con una temperatura de humo inferior a 60 °C y que contengan cierta cantidad de granos sólidos (como chatarra y arena fina, carbón, etc.).
Flujo uniforme y no uniforme.
Se dice que el flujo es uniforme cuando no hay variación en la magnitud ni en la dirección del vector velocidad de un punto a otro a lo largo de su trayectoria. Para que se cumpla esta definición, tanto el área de flujo como la velocidad deben ser iguales en cada sección transversal. El flujo no uniforme se produce cuando el vector velocidad varía con la ubicación; un ejemplo típico es el flujo entre límites convergentes o divergentes.
Ambas condiciones alternativas de flujo son comunes en la hidráulica de canales abiertos, aunque, estrictamente hablando, dado que el flujo uniforme siempre se alcanza asintóticamente, se trata de un estado ideal al que solo se llega por aproximación y nunca se alcanza realmente. Cabe señalar que estas condiciones se refieren al espacio y no al tiempo, por lo que, en casos de flujo confinado (por ejemplo, en tuberías a presión), son completamente independientes de la naturaleza estacionaria o no estacionaria del flujo.
Fecha de publicación: 29 de marzo de 2024