Mecanica de Fluidos Fundamentos y Aplicaciones Yunus Cengel y John Cimbala Primera Edicion PDF

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eBook Mecánica de Fluidos Yunes A. Çengel John M. Cimbala 1ra edición Cengel Prel.qxd 2/23/06 9:24 AM Page i MAGNITUD SISTEMA MÉTRICO SISTEMA INGLÉS Viscosidad, cinemática 1 m2/s
104 cm2/s 1 m2/s
10.764 ft2/s
3.875  104 ft2/h 1 stoke
1 cm2/s
104 m2/s 1 m2/s
10.764 ft2/s Volumen 1 m3
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Description

eBook Mecánica de Fluidos

Yunes A. Çengel John M. Cimbala

1ra edición

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2/23/06

9:24 AM

Page i

MAGNITUD

SISTEMA MÉTRICO

SISTEMA INGLÉS

Viscosidad, cinemática

1 m2/s
104 cm2/s 1 stoke
1 cm2/s
104 m2/s

1 m2/s
10.764 ft2/s
3.875  104 ft2/h 1 m2/s
10.764 ft2/s

Volumen

1 m3
1000 L
106 cm3 (cc)

1 m3
6.1024  104 in3
35.315 ft3
264.17 gal (U.S.) 1 galón de EUA
231 in3
3.7854 L 1 onza líquida
29.5735 cm3
0.0295735 L 1 galón de EUA
128 fl onzas líquidas

Flujo volumétrico

1 m3/s
60 000 L/min
106 cm3/s

1 m3/s
15 850 gal/min
35.315 ft3/s
2 118.9 ft3/min (CFM)

*Factor de conversión exacto entre unidades métricas e inglesas.

Algunas constantes físicas CONSTANTE FÍSICA

SISTEMA MÉTRICO

SISTEMA INGLÉS

Aceleración gravitacional estándar Presión atmosférica estándar

g
9.80665 Patm
1 atm
101.325 kPa
1.01325 bar
760 mm Hg (0°C)
10.3323 m H2O (4°C)

g
32.174 ft/s2 Patm
1 atm
14.696 psia
2116.2 lbf/ft2
29.9213 pulg Hg (32°F)
406.78 pulg H2O (39.2°F)

Constante universal de los gases

Ru
8.31447 kJ/kmol  K
8.31447 kN  m/kmol  K

Ru
1.9859 Btu/lbmol  R
1 545.37 ft  lbf/lbmol  R

m/s2

Propiedades de uso común PROPIEDAD

SISTEMA MÉTRICO

SISTEMA INGLÉS

Aire a 20°C (68°F) y 1 atm Constante específica del gas*

Raire
0.2870 kJ/kg  K
287.0 m2/s2  K

Raire
0.06855 Btu/lbm  R
53.34 ft  lbf/lbm  R
1716 ft2/s2  R

Razón de calores específicos

k
cP /cv
1.40

k
cP /cv
1.40

Calores específicos

cP

cv



Velocidad del sonido

c
343.2 m/s
1236 km/h

c
1 126 ft/s
767.7 mi/h

Densidad

r
1.204

r
0.07518 lbm/ft3

Viscosidad

m
1.825  105 kg/m  s

m
1.227  105 lbm/ft  s

Viscosidad cinemática

n
1.516  105 m2/s

n
1.632  104 ft2/s

Calor específico (c
cP
cv)

c
4.182 kJ/kg  K
4 182 m2/s2  K

c
0.9989 Btu/lbm  R
777.3 ft  lbf/lbm  R
25 009 ft2/s2  R

Densidad

r
998.0 kg/m3

r
62.30 lbm/ft3

Viscosidad dinámica

m
1.002  103 kg/m  s

m
6.733  104 lbm/ft  s

Viscosidad cinemática

n
1.004  106 m2/s

n
1.081  105 ft2/s

1.007 kJ/kg  K 1007 m2/s2  K 0.7200 kJ/kg  K 720.0 m2/s2  K

kg/m3

cP


cv




0.2404 Btu/lbm  R 187.1 ft  lbf/lbm  R 6 019 ft2/s2  R 0.1719 Btu/lbm  R 133.8 ft  lbf/lbm  R 4 304 ft2/s2  R

Agua líquida a 20°C (68°F) y 1 atm

* Independiente de la temperatura o la presión

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MECÁNICA DE FLUID O S FUNDAMENTOS Y APLICACIONES

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MECÁNICA DE FLUID O S FUNDAMENTOS Y APLICACIONES

YUNUS A. ÇENGEL Departamento de Ingeniería Mecánica University of Nevada, Reno

JOHN M. CIMBALA Departamento de Ingeniería Mecánica y Nuclear The Pennsylvania State University

Traducción

Víctor Campos Olguín Traductor profesional Revisión técnica

Sofía Fadeeva Sknarina Profesora de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, CEM

MÉXICO • BOGOTÁ • BUENOS AIRES • CARACAS • GUATEMALA LISBOA • MADRID • NUEVA YORK • SAN JUAN • SANTIAGO AUCKLAND • LONDRES • MILÁN • MONTREAL • NUEVA DELHI SAN FRANCISCO • SINGAPUR • SAN LUIS • SIDNEY • TORONTO

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Director Higher Education: Miguel Ángel Toledo Castellanos Director editorial: Ricardo A. del Bosque Alayón Editor sponsor: Pablo Eduardo Roig Vázquez Editora de desarrollo: Paula Montaño González Supervisor de producción: Zeferino García García

MECÁNICA DE FLUIDOS Fundamentos y aplicaciones Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor.

DERECHOS RESERVADOS © 2006, respecto a la primera edición en español por McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V. A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc. Prolongación Paseo de la Reforma 1015, Torre A Piso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe Delegación Álvaro Obregón C.P. 01376, México, D.F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Núm. 736 Imagen de portada: © Getty/Eric Meola, Niagara Falls ISBN 970-10-5612-4

Traducido de la primera edición de: FLUID MECHANICS. FUNDAMENTALS AND APPLICATIONS. Copyright © MMVI by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved. 0-07-247236-7

1234567890

09875432106

Impreso en México

Printed in Mexico

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Dedicatoria A todos los estudiantes: con la esperanza de aumentar su deseo y entusiasmo por explorar el funcionamiento de nuestro maravilloso universo, del cual la mecánica de fluidos es una parte pequeña pero fascinante; nuestra esperanza es que este libro haga crecer su amor por el aprendizaje, no sólo de la mecánica de fluidos sino también de la vida.

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ACERCA

DE

LOS AUTORES

Yunus A. Çengel es profesor emérito de Ingeniería Mecánica de la University of Nevada, Reno. Recibió su B. S. en Ingeniería Mecánica del Istanbul Technical University, su M. S. y su Ph. D. en Ingeniería Mecánica de la North Carolina State University. Sus áreas de investigación son la energía renovable, la desalinización, el análisis exergético, el mejoramiento de la transferencia de calor, la transferencia de calor por radiación y la conservación de la energía. Ha prestado sus servicios como director del Industrial Assessment Center (IAC) de University of Nevada, Reno, desde 1996 hasta el 2000. Ha dirigido equipos de estudiantes de Ingeniería en numerosas instalaciones de fabricación en el norte de Nevada y en California, con el fin de realizar evaluaciones industriales y presentar a las mismas informes relacionados con la conservación de la energía, la minimización de los desechos y el mejoramiento de la productividad. El doctor Çengel es coautor de Thermodynamics: An Engineering Approach, 4a. ed. (2002), publicado por McGraw-Hill, el cual ha sido adoptado ampliamente como libro de texto; también es autor del libro de texto Heat Transfer: A Practical Approach, 2a. ed. (2003) y coautor del libro de texto Fundamentals of ThermalFluid Sciencies, 2a. ed. (2005), ambos publicados por McGraw-Hill. Algunos de sus libros de texto han sido traducidos al chino, japonés, coreano, castellano, turco, italiano y griego. El doctor Çengel ha recibido varios premios sobresalientes como profesor y además el ASEE Meriam/Wiley Distinguished Author Award a su excelencia como autor en 1992 y en 2000. El doctor Çengel es Professional Engineer registrado en el estado de Nevada y miembro de la American Society for Engineering Education (ASEE). John M. Cimbala es profesor de Ingeniería Mecánica en The Pennsylvania State University, University Park. Recibió su B. S. en Ingeniería Aeroespacial de Penn State y su M. S. en Aeronáutica del California Institute of Technology (CalTech). Recibió su Ph.D. en Aeronáutica del CalTech en 1984, bajo la supervisión del profesor Anatol Roshko, de quien está por siempre agradecido. Sus áreas de investigación incluyen la mecánica de fluidos experimental y computacional, la transferencia de calor, la turbulencia, el modelado de la turbulencia, la turbomaquinaria, la calidad del aire en interiores y el control de la contaminación del aire. Durante el año académico de 1993-1994, el profesor Cimbala tomó un periodo sabático de la universidad y trabajó en el NASA Langley Research Center, en donde aumentó sus conocimientos sobre la dinámica computacional de fluidos (CFD, computational fluid dynamics) y el modelado de la turbulencia. El doctor Cimbala es coautor del libro de texto Indoor Air Quality Engineering: Environmental Health and Control of Indoor Pollutants (2003), publicado por Marcel-Dekker, Inc. También ha contribuido en otros libros y es autor o coautor de docenas de artículos para revistas así como de conferencias. Mayor información se puede hallar en www.mne.psu.edu/cimbala. El profesor Cimbala ha recibido varios premios sobresalientes con relación a la enseñanza y ve su actividad de escribir libros como una extensión de su amor por ésta. Es miembro del American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA), de la American Society of Mechanical Engineers (ASME), de la American Society for Engineering Education (ASEE) y de la American Physical Society (APS).

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RESUMEN CAPÍTULO

DEL

UNO

INTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS BÁSICOS

CAPÍTULO

CONTENIDO

1

DOS

PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

35

CAPÍTULO TRES PRESIÓN Y ESTÁTICA DE FLUIDOS

CAPÍTULO

C U AT R O

CINEMÁTICA DE FLUIDOS

CAPÍTULO

65

121

CINCO

ECUACIÓN DE CONSERVACIÓN DE MASA, DE BERNOULLI Y DE ENERGÍA 171

CAPÍTULO

SEIS

ANÁLISIS DE LA CANTIDAD DE MOVIMIENTO DE LOS SISTEMAS DE FLUJO 227

CAPÍTULO

SIETE

ANÁLISIS DIMENSIONAL Y MODELADO

CAPÍTULO

OCHO

FLUJO EN TUBERÍAS

CAPÍTULO

269

321

NUEVE

ANÁLISIS DIFERENCIAL DEL FLUJO DE FLUIDOS

CAPÍTULO

399

DIEZ

SOLUCIONES APROXIMADAS DE LA ECUACIÓN DE NAVIER-STOKES

CAPÍTULO

ONCE

FLUJO SOBRE CUERPOS: ARRASTRE Y SUSTENTACIÓN

CAPÍTULO

561

DOCE

FLUJO COMPRESIBLE

611

CAPÍTULO TRECE FLUJO EN CANAL ABIERTO

CAPÍTULO TURBOMAQUINARIA

CAPÍTULO

679

C AT O R C E 735

QUINCE

INTRODUCCIÓN A LA DINÁMICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL

817

471

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CONTENIDO

Prefacio

xvii

CAPÍTULO

Proyector de aplicaciones: ¿qué tienen en común las explosiones nucleares? 31 Problemas

UNO

INTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS BÁSICOS 1-1

1

2-1

4

1-3

Breve historia de la mecánica de fluidos 7

1-4

Clasificación de los flujos de fluidos 9 Regiones viscosas de flujo en comparación con las no-viscosas 9 Flujo interno en comparación con el externo 10 Flujo compresible en comparación con el incompresible 10 Flujo laminar en comparación con el turbulento 11 Flujo natural (o no-forzado) en comparación con el forzado 11 Flujo estacionario en comparación con el no-estacionario 11 Flujos unidimensional, bidimensional y tridimensional

1-5

Sistema y volumen de control 14

1-6

Importancia de las dimensiones y de las unidades 15 Algunas unidades SI e inglesas 16 Homogeneidad dimensional 18 Razones para conversión de unidades

Densidad y gravedad específica 37 Densidad de los gases ideales

38

2-3

Presión de vapor y cavitación 39

2-4

Energía y calores específicos 41

2-5

Coeficiente de compresibilidad 42 Coeficiente de expansión volumétrica

44

2-6

Viscosidad 46

2-7

Tensión superficial y efecto de capilaridad 51 Efecto de capilaridad

12

53

Resumen 55 Bibliografía y lecturas recomendadas

Problemas

56

TRES

PRESIÓN Y ESTÁTICA DE FLUIDOS 3-1

21

3-2

65

Presión 66 Presión en un punto 67 Variación de la presión con la profundidad

Técnica para la resolución de problemas 22

68

El manómetro 71 Otros instrumentos para medir la presión

74

3-3

El barómetro y la presión atmosférica 75

3-4

Introducción a la estática de fluidos 78

3-5

Fuerzas hidrostáticas sobre superficies planas sumergidas 79

23

Paquetes de software para ingeniería 24 Engineering Equation Solver (EES) (Programa para resolver ecuaciones de ingeniería) 25 FLUENT 26

Caso especial: placa rectangular sumergida

82

3-6

Fuerzas hidrostáticas sobre superficies curvas sumergidas 85

3-7

Flotación y estabilidad 89

1-10 Exactitud, precisión y dígitos significativos 26 30

58

CAPÍTULO

20

Modelado matemático de los problemas de ingeniería 21

Resumen 30 Bibliografía y lecturas recomendadas

36

Proyector de aplicaciones: cavitación 57

Paso 1: Enunciado del problema 22 Paso 2: Esquema 23 Paso 3: Hipótesis y aproximaciones 23 Paso 4: Leyes físicas 23 Paso 5: Propiedades 23 Paso 6: Cálculos 23 Paso 7: Razonamiento, verificación y comentario

1-9

2-2

35

Introducción 36 Medio continuo

La condición de no-deslizamiento 6

Modelado en la ingeniería

DOS

PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

1-2

1-8

CAPÍTULO

Introducción 2 ¿Qué es un fluido? 2 Áreas de aplicación de la mecánica de fluidos

1-7

32

Estabilidad de los cuerpos sumergidos y de los flotantes

92

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xi CONTENIDO

3-8

Fluidos en el movimiento del cuerpo rígido 95 Caso especial 1: Fluidos en reposo 96 Caso especial 2: Caída libre de un cuerpo de fluido Aceleración sobre una trayectoria recta 97 Rotación en un recipiente cilíndrico 99 Resumen 102 Bibliografía y lecturas recomendadas Problemas 103

CAPÍTULO

4-2

103

Energía mecánica y eficiencia 180

5-4

La ecuación de Bernoulli 185

124

Fundamentos de visualización del flujo 129

5-5

Aplicaciones de la ecuación de Bernoulli 194

5-6

Ecuación general de la energía 201 Transferencia de energía por calor, Q 202 Transferencia de energía por trabajo, W 202

5-7 136

Gráficas de los datos sobre flujo de fluidos 136

Resumen 215 Bibliografía y lecturas recomendadas Problemas 216

El teorema del transporte de Reynolds 148 Deducción alterna del teorema del transporte de Reynolds 153 Relación entre la derivada material y el RTT 155 Resumen 156

Proyector de aplicaciones: actuadores fluídicos 157 Bibliografía y lecturas recomendadas Problemas 158

CAPÍTULO

CAPÍTULO

6-1

Leyes de Newton y conservación de la cantidad de movimiento 228

6-2

Elección de un volumen de control 229

6-3

Fuerzas que actúan sobre un volumen de control 230

6-4

La ecuación del momento lineal 233

158

Casos especiales 235 Factor de corrección del flujo de la cantidad de movimiento, b 235 Flujo estacionario en reposo 238 Flujo estacionario en reposo con una entrada y una salida Flujo sin fuerzas externas 238

CINCO

Introducción 172 Conservación de la masa 172 Conservación de la cantidad de movimiento Conservación de la energía 172

172

SEIS

ANÁLISIS DE LA CANTIDAD DE MOVIMIENTO DE LOS SISTEMAS DE FLUJO 227

ECUACIÓN DE CONSERVACIÓN DE MASA, DE BERNOULLI Y DE LA ENERGÍA 171 5-1

216

Otras descripciones cinemáticas 139 Tipos de movimiento o deformación de los elementos de fluidos 139 Vorticidad y rotacionalidad 144 Comparación de dos flujos circulares 147

4-5

Análisis de energía de los flujos estacionarios 206 Caso especial: flujo incompresible sin aparatos de trabajo mecánico y con fricción despreciable 208 Factor de corrección de la energía cinética, a 208

Gráficas de perfiles 137 Gráficas vectoriales 137 Gráficas de contornos 138

4-4

177

Aceleración de una partícula de fluido 186 Deducción de la ecuación de Bernoulli 186 Balance de fuerzas a través de las líneas de corriente 188 Flujo no estacionario y compresible 189 Presiones estática, dinámica y de estancamiento 189 Limitaciones en el uso de la ecuación de Bernoulli 190 Línea de gradiente hidráulico (LGH) y línea de energía (LE) 192

121

Líneas de corriente y tubos de corriente 129 Líneas de trayectoria 130 Líneas de traza 132 Líneas fluidas 134 Técnicas refractivas de visualización del flujo 135 Técnicas de visualización del flujo sobre la superficie

4-3

5-3

Descripciones lagrangiana y euleriana 122 Campo de aceleraciones Derivada material 127

Conservación de la masa 173 Gastos de masa y de volumen 173 Principio de conservación de la masa 175 Volúmenes de control en movimiento o en deformación 177 Balance de masa para procesos de flujo estacionario Caso especial: flujo incompresible 178

97

C U AT R O

CINEMÁTICA DE FLUIDOS 4-1

5-2

238

6-5

Repaso del movimiento rotacional y del momento angular 248

6-6

La ecuación del momento angular 250 Casos especiales

252

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xii CONTENIDO

8-7

Flujo sin momentos externos 253 Dispositivos de flujo radial 254 Resumen 259 Bibliografía y lecturas recomendadas Problemas 260

CAPÍTULO

Sistemas de tuberías con bombas y turbinas

8-8

260

7-1

Dimensiones y unidades 270

7-2

Homogeneidad dimensional 271 Eliminación de dimensiones de las ecuaciones

269

272

7-3

Análisis dimensional y similitud 277

7-4

El método de repetición de variables y el teorema Pi de Buckingham 281

Configuración de un experimento y correlación de los datos experimentales 297 Similitud incompleta 298 Pruebas en el túnel de viento 298 Flujos con superficies libres 301

CAPÍTULO

Proyector de aplicaciones: ¿cómo vuela una mosca? 304

9-1 9-2

OCHO