Fundamentos de Mecánica de Fluidos: Conceptos Clave y Aplicaciones

Propiedades de los Fluidos: Intensivas vs. Extensivas

• Propiedades intensivas: No dependen de la masa (densidad, peso específico, calor específico, energía interna).
• Propiedades extensivas: Dependen de la cantidad de masa (volumen, masa).

Parámetros del Factor de Fricción

El factor de fricción f depende de los siguientes parámetros adimensionales:

f = f(Re, ε/D)

• Re: Número de Reynolds.
• ε/D: Rugosidad relativa.

Regímenes de Flujo según el Número de Reynolds

• Laminar: Re < 2000
• Transición: 2000 < Re < 4000
• Turbulento: Re > 4000

Importancia del NPSH en Bombas

La omisión del término NPSH (Altura de Succión Positiva Neta) en los cálculos conlleva riesgos críticos:

• Alta probabilidad de cavitación en la bomba.
• La bomba no alcanzará la altura geométrica requerida.

Turbinas Pelton: Comparativa de Diseño

Para una turbina Pelton A (Ns=10) frente a una B (Ns=40):

• Más cucharas: A (y más pequeñas).
• Mayor caudal: B.
• Mayores saltos: A.

Sistemas y Volúmenes de Control

• Sistema abierto (Volumen de control): Región ficticia que encierra el medio en estudio, permitiendo el paso de masa a través de sus fronteras (ej. calefón).
• Sistema cerrado: Aquel cuya masa permanece constante durante un cambio de estado físico (ej. globo, batería de auto).

Significado del Número de Reynolds

Permite determinar el régimen de flujo (laminar, transición o turbulento) y es fundamental para obtener el coeficiente de fricción necesario para calcular las pérdidas de carga.

Relación entre Presiones

Pabs = Patm ± Prelativa

Nota: La presión absoluta no puede ser negativa.

Definición de Sistema y Fronteras

Un sistema es una porción de materia en estudio. La superficie real o imaginaria que lo limita se denomina frontera. El conjunto de sistemas que interactúan con él constituye el medio exterior. Las influencias pueden ser de carácter térmico o mecánico.

Velocidad Específica (Ns) en Turbinas Hidráulicas

La velocidad específica Ns es el número de revoluciones de una turbina semejante, utilizada para clasificar equipos:

• 5 a 30: Pelton (1 inyector).
• 100 a 200: Francis normal.
• Más de 500: Kaplan.

Clasificación de Turbomáquinas

• Turbina axial.
• Bomba radial.
• Turbina mixta.

Ecuación de Rendimiento

η = (F_obj / F_costo) × 100

Función de la Tobera

Su función es la reducción de sección. Al reducir la sección S de salida: disminuye el caudal, aumenta la velocidad, disminuye la presión y disminuye la pérdida de carga (Hr).

Ecuaciones Fundamentales del Flujo

1. Ecuación de Continuidad (Conservación de la masa)

Para flujo permanente: m = m1 = m2; ρ1Q1 = ρ2Q2 = ρQ. En líquidos (ρ1=ρ2): Q = V1S1 = V2S2.

2. Ecuación de Energía (Conservación de la energía)

Para líquidos en reposo: P1/γ + z1 = P2/γ + z2. En movimiento se añade la energía cinética: H = (V²/2g) + (P/γ) + z.

3. Ecuación de la Cantidad de Movimiento

ΣF = m × a

Modelo de Viscosidad de Newton

La viscosidad (μ) es la resistencia de un fluido a desplazarse. La Ley de Newton de la viscosidad establece que la resistencia depende de la velocidad de deformación (dv/dy):

τ = μ × (dv/dy)

Donde τ es el esfuerzo cortante, dv la variación de velocidad y dy la separación entre capas.