Determinación de la Velocidad Promedio en Flujo Laminar
La velocidad promedio de un fluido en un conducto se calcula dividiendo el caudal volumétrico por el área de sección transversal. Para determinar la velocidad promedio en un tubo, se integra la distribución de la velocidad a través del área transversal. Este cálculo implica realizar un balance de cantidad de movimiento en la dirección del flujo, considerando las fuerzas superficiales y de cuerpo que actúan sobre un elemento diferencial de fluido. En un flujo laminar completamente desarrollado, las fuerzas viscosas normales son insignificantes, y el análisis se enfoca en las fuerzas de corte y las fuerzas debidas a la presión y la gravedad.Transferencia de Cantidad de Movimiento en Fluidos
La transferencia de cantidad de movimiento en un fluido se realiza principalmente a través de mecanismos viscosos, que actúan perpendicularmente al flujo, y mecanismos cinéticos, que operan en la dirección del flujo. Para abordar problemas de transferencia de cantidad de movimiento, se inicia con la formulación del balance de cantidad de movimiento y se procede a la integración de las ecuaciones de movimiento, finalizando con la aplicación de las condiciones de contorno para determinar las constantes de integración y resolver el problema.Condiciones Límite y Analogías entre Balances de Transporte
Las condiciones de contorno son fundamentales para la resolución de problemas de transporte. En la interfaz sólido-fluido, se aplica la condición de no deslizamiento, que asume velocidad cero en la superficie sólida. En interfaces líquido-líquido y líquido-gas, se considera la continuidad de las componentes tangenciales de la velocidad y se asumen nulas las componentes normales del tensor de esfuerzos. Los balances de cantidad de movimiento, energía y masa tienen una estructura matemática análoga, lo que permite establecer correspondencias entre ellos y simplificar su estudio y aplicación.La Ecuación de Continuidad y la Conservación de la Masa
La ecuación de continuidad es una expresión matemática de la conservación de la masa en fluidos, particularmente relevante para fluidos incompresibles como el agua en condiciones normales. Esta ecuación establece que el caudal volumétrico es constante a lo largo de un conducto cerrado, lo que asegura que la masa del fluido se conserva. La relación entre las velocidades del fluido y las áreas de sección transversal en diferentes puntos del conducto se describe con esta ecuación, garantizando que el producto de estas dos variables sea constante.Aplicación de la Segunda Ley de Newton en Fluidos
La segunda ley de Newton se extiende a los fluidos para determinar las fuerzas resultantes en un volumen de control. Esta ley se emplea para calcular el flujo neto de cantidad de movimiento y las fuerzas superficiales y de cuerpo que actúan sobre el fluido. Ejemplos prácticos de su aplicación incluyen el análisis de fuerzas en boquillas y el cálculo de fuerzas inducidas por el flujo en diversas configuraciones de sistemas de fluidos, lo que es crucial para el diseño y análisis de equipos y estructuras sometidos a la acción de fluidos.El Principio de Bernoulli y la Conservación de la Energía en Fluidos
El principio de Bernoulli es una aplicación de la conservación de la energía en el flujo de fluidos ideales e incompresibles y sin fricción. Este principio establece que la suma de la energía cinética, potencial y de presión de un fluido es constante a lo largo de su trayectoria en un conducto cerrado y sin pérdidas. La ecuación de Bernoulli, que relaciona estas formas de energía, se aplica bajo condiciones ideales y es fundamental para comprender el comportamiento de los fluidos en aplicaciones prácticas, como el flujo en tuberías y el efecto Venturi, entre otros.
