Al analizar las comodidades y necesidades de nuestra vida diaria, es verdaderamente asombroso notar el papel que juegan los conductos y tuberías para el transporte de fluidos, por ejemplo, toda el agua que usamos en nuestras casas se bombea a través de tuberías para que esté disponible en el grifo. Después toda esta agua sale de nuestras casa como desperdicios diluidos por alcantarillas y drenajes con otro tipo de conducto.
Además del uso doméstico, es enorme el consumo de agua en la industria; por ejemplo, en el procesado de productos agrícolas o en la fabricación de acero o papel por mencionar algunos.
En los ejemplos anteriores, el transporte de fluidos es el objetivo primordial, pero hay numerosas aplicaciones en las que el flujo es una parte necesaria pero secundaria en el proceso; por ejemplo, los sistemas de calefacción y ventilación, así como las estaciones generadoras de electricidad, que utilizan conductos para circular fluidos y transportar la energía en un lugar a otro.
Los sistemas de bombeo también se emplean ampliamente para la operación de maquinaria. Por tanto, el uso de los conductores de flujo abarca todos los campos en la ingeniería y, obviamente, cualquier ingeniero debe conocer la mecánica básica de los tubos o conductores de flujo, así como los procedimientos básicos de diseño.
El flujo de fluidos puede ser permanente o no permanente; uniforme o no uniforme; laminar o turbulento; unidimensional, bidimensional o tridimensional, y rotacional o irrotacional. Ciertamente, el flujo unidimensional de un fluido incomprensible tiene lugar cuando la velocidad en dos puntos es idéntico, es decir, tienen misma dirección y sentido. No obstante, el análisis con flujo unidimensional es aceptable cuando se considera como única dimensión espacial, de la que dependen todas las características, la línea de corriente central del flujo pueden considerarse como despreciables las variaciones de las velocidades y aceleraciones en dirección normal a dicha línea de corriente.
Un flujo bidimensional tiene lugar cuando las partículas fluidas se mueven en planos o en planos paralelos de forma que la configuración de las líneas de corriente es idéntica en cada plano. Para un fluido ideal en que no existen tensiones cortantes no pueden transmitirse pares y no tienen lugar movimientos rotacionales de las partículas fluidas alrededor de su propio centro de gravedad, tales fluidos ideales, que admiten una representación muy intuitiva mediante una red de corriente, se llaman flujos irrotacionales.
Flujo permanente.
El flujo permanente tiene lugar cuando, en un punto cualquiera, la velocidad de las sucesivas partículas que ocupan ese punto en los sucesivos instantes es la misma. Por tanto, la velocidad es constante respecto del tiempo.
Un flujo es no permanente cuando las condiciones en un punto cualquiera del fluido varían con el tiempo.
Este supuesto implica que las otras magnitudes físicas del fluido no varían con las coordenadas espaciales. El flujo de líquidos bajo presión a través de tuberías de diámetro constante y gran longitud es uniforme tanto si el régimen es permanente como si es no permanente.
Flujo uniforme
El flujo uniforme tiene lugar cuando el módulo, la dirección y el sentido de la velocidad no varían de un punto a otro del fluido. Este supuesto implica que las otras magnitudes físicas del fluido no varían con las coordenadas espaciales. El flujo de líquidos bajo presión a través de tuberías de diámetro constante y gran longitud es uniforme tanto si el régimen es permanente como si es no permanente. El flujo es no uniforme cuando la velocidad, la profundidad, la presión, etc., varían de un punto a otro en la región de flujo.
Flujo laminar
En el flujo laminar las partículas fluidas se mueven según trayectorias paralelas, formando junto de ellas capas o láminas. Los módulos de las velocidades de capas adyacentes no tienen el mismo valor. El flujo laminar está gobernado por la ley que relaciona la tensión cortante con la velocidad de deformación angular, es decir, la tensión cortante es igual al producto de la viscosidad del fluido por el gradiente de las velocidades. Por otra parte, el flujo laminar carece del intenso fenómeno de mezclado y de los torbellinos que caracterizan al flujo turbulento, y tiene una apariencia muy suave; un ejemplo típico es el flujo de miel o jarabe espeso que sale de un recipiente.
El número de Reynolds, que es un grupo adimensional, viene dado por el coeficiente de las fuerzas de inercia y por las fuerzas debidas a la viscosidad.
Re = DUρ /μ
Donde: U=velocidad [m/s] D=Diámetro de la tubería [m, ft] v=viscosidad cinemática del fluido [m^2/s] ρ=densidad del fluido [Kg/m^3] μ=viscosidad absoluta [Kg.s/m^2]
La velocidad crítica es de interés práctico para el ingeniero es aquella velocidad por debajo de toda turbulencia que es amortiguada por la acción de la viscosidad del fluido. La experiencia afirma que un límite superior para el régimen en tuberías, viene fijado por un valor del número de Reynolds de 2000, en la mayoría de los casos prácticos.
Flujo turbulento
El flujo turbulento se caracteriza por la acción de mezclado en todo el campo. Este mezclado se debe a remolinos o torbellinos de tamaño variable que se forman en el fluido. Por simple observación sabemos que este tipo de flujos se presenta en los ríos y en la atmósfera. Las ráfagas de aire son el resultado de los torbellinos grandes que a veces se agregan y otras se oponen a la velocidad media del viento.
Para entender el papel de la turbulencia en el proceso de flujo, consideramos en primer lugar el flujo laminar en una situación dada, en el caso del flujo laminar, la distribución de velocidades es parabólica en cualquier sección dada, y a cualquier distancia dada de la pared del tubo la velocidad será constante respecto al tiempo.
En el flujo turbulento, se hacen evidentes de inmediato dos efectos. Primero con los torbellinos hacen que el flujo se mezcle casi por completo la distribución de velocidades es más uniforme en la mayor parte de la sección transversal que en el caso del flujo laminar. El segundo efecto de la turbulencia es añadir continuamente componentes fluctuantes de velocidad de flujo. Un valor que nos sirve como índice de turbulencia, es el número de Reynolds, que se define como un número de Reynolds es grande (Re>2100), el flujo en el tubo es generalmente turbulento y si es menor de 2000, el flujo es laminar.
Flujo newtoniano
Los fluidos para los cuales el esfuerzo cortantes es directamente proporcional a la rapidez de deformación se denominan fluidos newtonianos. Sin embargo, para algunos fluidos el esfuerzo cortante no puede ser directamente proporcional a la rapidez de deformación. Estos fluidos se clasifican como no newtonianos, por ejemplo, la sangre, ciertos plásticos y mezcla de barro y agua.
Fluido no newtoniano
Un fluido no newtoniano es aquel que no tiene una viscosidad definida y constante que varía en función de la temperatura y fuerza cortante a la que esté sometido. El ejemplo más claro es el Agua.
Gasto. El gasto volumétrico o descarga, es el volumen de fluido que pasa por una sección dada en la unidad de tiempo.
Teoría de la capa límite. La teoría de la capa límite fue introducida por Prandtl. Esta teoría establece que, para un fluido en movimiento, todas las pérdidas por fricción tienen lugar en una delgada capa adyacente al contorno del sólido (llamada capa límite), y que el flujo exterior a dicha capa puede considerarse como carente de viscosidad. La distribución de velocidades en la zona próxima al contorno es influenciada por la tensión cortante, la capa límite es muy delgada en la parte aguas arriba del contorno y va aumentando su espesor hacia aguas abajo por la acción continuada de las tensiones cortantes. La capa de fluido cercana a la superficie que reciente cambios en su velocidad por el efecto del esfuerzo cortante de la superficie se llama capa límite y el área de estudio general que trata del patrón de flujo en esta capa y de esfuerzos de corte correspondiente se llama teoría de la capa límite.
Caída de presión. La variación de la presión es importante para el ingeniero por varias razones, en ciertos casos, como en el diseño de estructuras altas debe considerarse la variación de la presión debida al viento en el diseño de partes individuales como ventanas, así como en el diseño de la estructura básica para resistir la carga total del viento.
En el flujo de fluidos existen básicamente dos causas de la variación de presión, además del efecto del peso, que son la aceleración y la resistencia viscosa, también debe tomarse en cuenta que la gravedad también puede entrar en el problema. Las variaciones de presión en un fluido compresible son, por lo general muy pequeñas ya que los pesos específicos son pequeños, como también lo son las diferencias de elevación consideradas en la mayoría de los cálculos en la hidráulica.
Los problemas típicos correspondientes a los temas anteriores son: 6, 7, 8, 9 y 10.
Flujo de Fluidos 