PIA - Producto Integrador de Aprendizaje PIA laboratorio mecánica de fluidos FIME PDF

Preview

Summary

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓNFacultad de Ingeniería Mecánica y EléctricaSemestre: Agosto- Diciembre 2021Laboratorio Mecánica de FluidosProducto Integrador de Aprendizaje PIADocente: Raúl Gutiérrez HerreraHora y Día: V1 MartesGrupo: 214Fecha de entrega: 09 de noviembre 2021Ciudad Universitaria, ...

Description

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Semestre: Agosto- Diciembre 2021 Laboratorio Mecánica de Fluidos Producto Integrador de Aprendizaje PIA Docente: Raúl Gutiérrez Herrera Hora y Día: V1 Martes Grupo: 214

Fecha de entrega: 09 de noviembre 2021 Ciudad Universitaria, San Nicolás de los Garza, Nuevo León.

Introducción En este trabajo se conocerán algunos efectos de los flujos externos en la aerodinámica. los flujos externos son aquellos flujos sumergidos en un fluido sin fronteras. Cuando un contorno se mueve en el seno de un fluido, podemos imaginarlo fijo y el fluido moviéndose en sentido contrario. Para un fluido en movimiento, todas las pedidas por fricción tienen lugar en una delgada capa adyacente al contorno del sólido (llamada capa limite), y que el flujo exterior a dicha capa puede considerarse como carente de viscosidad. Con frecuencia ocurre el flujo de fluidos alrededor de los cuerpos sólidos y éste causa numerosos fenómenos físicos como la fuerza de arrastre que actúa sobre los automóviles, líneas de transmisión eléctrica, árboles y ductos submarinos; la sustentación desarrollada por las alas de los aviones; la corriente de aire ascendente de la lluvia, nieve, granizo y las partículas de polvo en los vientos fuertes; el transporte de eritrocitos por el flujo sanguíneo; el efecto de arrastre y suministro de gotas de líquido mediante aerosoles; la vibración y el ruido generados por los cuerpos que se mueven en un fluido, y la potencia originada por las turbinas de viento. En consecuencia, el desarrollo de una adecuada comprensión de flujo externo es importante en el diseño de numerosos sistemas de ingeniería como aeronaves, automóviles, edificios, barcos, submarinos y todo tipo de turbinas.

Efecto de los Flujos Externos en el Diseño de Elementos

Se conoce como flujo externo al flujo alrededor de los cuerpos que están inmersos en un fluido. En el flujo externo, los efectos viscosos están confinados a una porción del campo de flujo, como las capas límite y las estelas, que están rodeadas por una región externa de flujo caracterizada por bajos gradientes de velocidad y temperatura.

En el flujo externo se tiene el movimiento de un objeto en el seno de un fluido; conforme el objeto va penetrando en el fluido, las partículas son arrastradas y adquieren unas determinadas distribuciones de velocidad y de presión. En un sistema de referencia inercial fijo al objeto, se tendría un flujo uniforme que se dirige al objeto, y que alrededor de él, se divide en dos regiones: una región viscosa en las proximidades de la superficie del objeto; y una región exterior no viscosa (sin tensiones tangenciales por ser nulo el correspondiente gradiente de velocidad). La región viscosa, se denomina CAPA LÍMITE, se inicia en las proximidades del borde de ataque, y su extensión va aumentando aguas abajo. El espesor de la capa límite es creciente, y normalmente de poca extensión, dependiendo de la geometría del objeto y del número de Reynolds; aunque se puede tener el desprendimiento de la capa límite y

la formación de la estela transitoria, que puede ocupar una amplia región a partir del punto de desprendimiento. En la capa límite, la distribución de velocidades es monótona creciente, desde cero en la superficie de contacto del fluido con el objeto, hasta alcanzar el valor de la velocidad uniforme de la corriente exterior. En una determinada posición (entre el borde de ataque y el borde de estela), se define el espesor de la capa límite δ, como la posición (normal a la sección) en donde se alcanza la velocidad de la corriente exterior. Por el carácter asintótico de la distribución de velocidades, se suele definir experimentalmente el espesor de la capa límite, por la posición en donde se alcanza el 99% de la velocidad de la corriente exterior. Se define espesor de desplazamiento δ* , como el espesor adicional, que debería tener el objeto en una determinada sección, para poder considerar una única región no viscosa.

Tanto el espesor de la capa límite como el de desplazamiento, dependen de la geometría y del número de Reynolds. Así para flujo sobre una placa plana (y en general para objetos que oponen poca área frontal), el espesor de la capa límite es muy pequeño, y por tanto también el espesor de desplazamiento, por lo que se puede despreciar el efecto de desplazamiento y la distribución de presiones a lo largo de la placa se puede determinar con la ecuación de Euler de flujo no viscoso, como si la capa límite no existiese.

Cuando un fluido se mueve sobre un cuerpo sólido, ejerce fuerzas de presión normales a la superficie, y fuerzas cortantes paralelas a la superficie del cuerpo. Es importante conocer la resultante de las fuerzas de presión y las fuerzas cortantes que actúan sobre el cuerpo, más que los detalles de las distribuciones de estas fuerzas por toda la superficie del cuerpo. La componente resultante de la presión y las fuerzas cortantes que actúa en la dirección del flujo se llama fuerza de arrastre (o simplemente arrastre), y la componente que actúa en dirección normal a la del flujo se llama fuerza de sustentación (o simplemente sustentación).

Arrastre Una experiencia común es que un cuerpo encuentra cierta resistencia cuando se fuerza a moverse a través de un fluido, especialmente un líquido. La fuerza que un fluido que fluye ejerce sobre un cuerpo en la dirección del flujo se llama arrastre. Usualmente, el arrastre es un efecto indeseable, como la fricción, y siempre se hace el mejor esfuerzo por eliminarlo. La reducción del arrastre está relacionada de manera cercana con la reducción del consumo de combustible en automóviles, submarinos y aeronaves; la seguridad mejorada y la durabilidad de las estructuras expuestas a vientos fuertes, y la reducción del ruido y vibración. Pero en algunos casos el arrastre produce un efecto muy benéfico y se intenta maximizarlo. La fricción, por ejemplo, es un “salvavidas” en los frenos de los automóviles. Del mismo modo, el arrastre es el que hace posible que la gente caiga en paracaídas. Un fluido en reposo ejerce sólo fuerza de presión normal sobre la superficie de un cuerpo sumergido en él. Sin embargo, un fluido en movimiento también ejerce fuerzas de corte tangenciales sobre la superficie debido a la condición de no deslizamiento

provocada por los efectos viscosos. En general, ambas fuerzas tienen componentes en la dirección del flujo, y por lo tanto la fuerza de arrastre se debe a los efectos combinados de la presión y las fuerzas de corte en la dirección del flujo. La parte del arrastre que se debe directamente al esfuerzo de corte de pared �w se llama arrastre de fricción en la superficie (o arrastre debido a fricción FD, fricción), porque lo provocan los efectos de fricción. La parte que se debe directamente a la presión P se llama arrastre debido a presión (también llamada arrastre de forma porque tiene una enorme dependencia de la forma del cuerpo). Los coeficientes de arrastre debido a fricción y arrastre debido a presión se definen como:

El concepto de arrastre también tiene importantes consecuencias para los sistemas biológicos. Por ejemplo, los cuerpos de peces, en especial los que nadan rápidamente durante grandes distancias (como los delfines), son enormemente currentilíneos para minimizar el arrastre (el coeficiente de arrastre de los delfines con base en el área de su piel mojada es alrededor de 0.0035, comparable con el valor para una placa plana en flujo turbulento). De modo que no es sorprendente que los submarinos se construyan para imitar a los grandes peces. Las aves nos enseñan la lección de reducción del arrastre cuando extienden

sus

picos

hacia

adelante y doblan sus patas hacia atrás durante el vuelo. Los aviones, que parecen un poco como grandes aves, retraen sus

ruedas después de despegar, con la finalidad de reducir el arrastre y por lo tanto el consumo de combustible.

Sustentación Las componentes de la presión y las fuerzas de corte en la dirección normal al flujo tienden a mover el cuerpo en dicha dirección; su suma se llama sustentación. A las alas de los aviones se les da una forma y se posicionan de manera específica para generar sustentación con arrastre mínimo. Esto se hace cuando se mantiene un ángulo de ataque durante el crucero. Tanto la sustentación como el arrastre son fuertes funciones del ángulo de ataque. La diferencia de presión entre las superficies superior e inferior del ala genera una fuerza ascendente que tiende a sustentar el ala y por lo tanto al avión al cual está conectada. Para cuerpos esbeltos como las alas, la fuerza de corte actúa casi paralela a la dirección del flujo, y por lo tanto su aportación a la sustentación es pequeña. La fuerza de arrastre para estos cuerpos esbeltos se debe principalmente a las fuerzas de corte (la fricción en la superficie). Para los dispositivos que tienen la finalidad de generar sustentación, como las superficies de sustentación, la aportación de los efectos viscosos a la sustentación por lo general es despreciable, porque los cuerpos son aerodinámicos, y la fuerza de corte es paralela a las superficies de estos dispositivos y por lo tanto casi normal a la dirección de sustentación. En consecuencia, en la práctica, puede considerarse que la sustentación se debe por completo a la distribución de presión sobre las superficies del cuerpo, y por lo tanto la forma del cuerpo tiene la influencia principal sobre la sustentación. Entonces, la consideración principal en el diseño de las superficies de sustentación es minimizar la presión promedio en la superficie superior mientras se maximiza en la superficie inferior. Se puede usar la ecuación de Bernoulli como guía para identificar las regiones de alta y baja presión. Además,

la

sustentación

prácticamente es independiente de la

rugosidad

de

la

superficie

porque la rugosidad afecta a la fuerza cortante, no a la presión.

Una manera obvia de cambiar las características de sustentación y de arrastre de una superficie de sustentación es modificar el ángulo de ataque. Por ejemplo, en un avión, todo el avión se inclina para aumentar la sustentación, ya que las alas están fijas en relación con el fuselaje. Otra posibilidad es cambiar la forma de la superficie de sustentación mediante el uso de los flaps (aletas) de bordes de entrada y de salida móviles, como se hace comúnmente en las grandes y modernas aeronaves. Los flaps se usan para alterar la forma de las alas durante el despegue y el aterrizaje para maximizar la sustentación y permitir que la aeronave aterrice o despegue a bajas velocidades. El aumento en el arrastre durante el despegue y el aterrizaje no es de mayor preocupación debido a los espacios de tiempo implícitos relativamente cortos. Ya en altitud de crucero, los flaps se retraen y el ala regresa a su forma “normal” con mínimo coeficiente de arrastre y adecuado coeficiente de sustentación para minimizar el consumo de combustible mientras se vuela a una altitud constante. Inclusive, un pequeño

coeficiente

sustentación

puede

de

generar

gran fuerza de sustentación durante una operación normal, debido

a

las

grandes

velocidades de crucero de las aeronaves

y

a

la

proporcionalidad

de

la

sustentación al cuadrado de la velocidad de flujo.

Para las alas de los aviones y otras superficies de sustentación de tamaño finito, los efectos en los extremos de las alas se vuelven importantes, debido al escape de fluido de la superficie inferior a superior. La diferencia de presión entre la superficie inferior (región de presión alta) y la superficie superior (región de presión baja) conduce al fluido en las puntas hacia la superficie superior, mientras que el fluido se barre hacia la parte trasera debido al movimiento relativo entre el fluido y el ala. Esto resulta, en las puntas de ambas alas, en un movimiento de remolino que gira en espiral a lo largo del flujo, llamado vórtice de extremo. Los vórtices también se forman a lo largo de la

superficie de sustentación entre las puntas de las alas. Estos vórtices distribuidos se reúnen hacia los bordes después de desprenderse de los bordes de salida de las alas y se combinan con los vórtices de extremo para formar dos líneas de poderosos vórtices de salida a lo largo de las puntas de las alas. Los vórtices de salida que se generan en los grandes aviones existen por largo tiempo para largas distancias (arriba de 10 km) antes de que gradualmente desaparezcan debido a disipación viscosa. Estos vórtices y la corriente descendente acompañante son lo suficientemente fuertes para provocar que una pequeña aeronave pierda el control y se voltee si atraviesa la estela de una gran aeronave.

En general, el coeficiente de sustentación de las alas aumenta mientras el coeficiente de arrastre disminuye con la relación dimensional creciente. Esto se debe a que una larga ala estrecha (relación dimensional grande) tiene una longitud de punta más corta y por lo tanto pérdidas de punta más pequeñas y arrastre inducido más pequeño que un ala corta y ancha de la misma área de planta. En consecuencia, los cuerpos con grandes relaciones dimensionales vuelan de manera más eficiente, pero tienen menos maniobrabilidad debido a sus grandes momentos de inercia (ya que hay una mayor distancia desde el centro). Los cuerpos con relaciones dimensionales más pequeñas maniobran mejor debido a que las alas están más cerca de la parte central. De este modo, no es sorprendente que los aviones de caza (y las aves predadoras como los halcones) tengan alas cortas y anchas, mientras que los grandes aviones comerciales (y las aves que planean, como los albatros) tienen alas largas y estrechas.

Conclusión. En resumen, en esta actividad se aprendió que existen un tipo de flujos llamados “flujos externos” y que estos se caracterizan por que las capas límite se desarrollan libremente, sin restricciones impuestas por las superficies adyacentes y en comparación con el flujo interno, los flujos externos presentan efectos altamente viscosos confinados a “capas límite” de rápido crecimiento en la región de entrada. La capa límite es la región de flujo sobre una superficie en donde se sienten los efectos de las fuerzas de corte provocadas por la viscosidad del fluido. El grosor de la capa límite, �, se define como la distancia desde la superficie al punto donde la velocidad es 0.99V. La línea hipotética de velocidad 0.99V divide al flujo sobre una placa en dos regiones: la región de capa límite, donde los efectos viscosos y el cambio de velocidad son considerables, y la región de flujo exterior irrotacional, donde los efectos de fricción son despreciables y la velocidad permanece esencialmente constante También se aprendió que los flujos externos son capaces de ejercer fuerzas sobre un cuerpo en y alrededor de varias direcciones, las cuales son los efectos principales que se estudian para modificar la aerodinámica de un objeto según sea el caso y aplicación. En general, la fuerza que un flujo de fluidos ejerce sobre un cuerpo en la dirección del flujo se llama arrastre, y la que se ejerce en la dirección normal al flujo se llama sustentación. Se dice que un cuerpo es currentilíneo o aerodinámico si se hace un esfuerzo consciente por alinear su forma con las líneas de corriente anticipadas en el flujo, con la finalidad de reducir el arrastre. Esto a su vez significa qué es deseable que los perfiles aerodinámicos generen la mayor sustentación mientras produzcan el menor arrastre. Todos estos conceptos aprendidos se pueden ver aplicados en numerosos diseños de sistemas de ingeniería como los automóviles, las aeronaves, barcos y submarinos. Por ejemplo, los automóviles de último modelo se han diseñado con énfasis en la

aerodinámica. Esto ha resultado en reducciones considerables en el consumo de combustible y el ruido, y notable mejoría en el manejo.

Bibliografía



Yumpu.com. (s. f.). Flujo externo y Capa límite. Recuperado 6 de noviembre de 2021, de https://www.yumpu.com/es/document/read/15099486/tema-9-flujoexterno-y-capa-limite



K. (s. f.). Flujo Externo. UDO. Recuperado 6 de noviembre de 2021, de https://www.kimerius.com/app/download/5785355371/Flujo+externo.pdf



Cengel, Y., & Cimbala, J. (2012). Mecánica de Fluidos. Fundamentos y aplicaciones (Cuarta Edición, Vol. 2). McGraw-Hill Education....