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IV CURSO DE TITULACION A DISTANCIA INGENIERIA CIVIL CURSO: HIDRAULICA DOCENTE : Ing. Martin Felipe Chumpitáz Camarena ALUMNO : Bach. Ángel Campos Gallegos TEMA 1: FLUIDOS NEWTONIANOS Y NO NEWTONIANOS 2012

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IV CURSO DE TITULACION A DISTANCIA INGENIERIA CIVIL

CURSO: HIDRAULICA

DOCENTE : Ing. Martin Felipe Chumpitáz Camarena

ALUMNO : Bach. Ángel Campos Gallegos

TEMA 1:

FLUIDOS NEWTONIANOS Y NO NEWTONIANOS

2012

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Hidráulica

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VISCOSIDAD Y FLUIDOS,

NEWTONIANOS

El aceite de oliva

Hidráulica

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FLUIDOS NEWTONIANOS

= COEFICIENTE DE

VISCOSIDAD ABSOLUTO

Hidráulica

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DEFINICION DE VISCOSIDAD

La viscosidad es una manifestación del movimiento

molecular dentro del fluido.

Las moléculas de regiones con alta velocidad global

chocan con las moléculas que se mueven con una

velocidad global menor, y viceversa.

Estos choques permiten transportar cantidad de

movimiento de una región de fluido a otra. Ya que los

movimientos moleculares aleatorios se ven afectados por

la temperatura del medio, la viscosidad resulta ser una

función de la temperatura.

Hidráulica

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REYNOLDS

El número de Reynolds relaciona la densidad, viscosidad,

velocidad y dimensión típica de un flujo en una expresión

dimensional, que intervienen en numerosos problemas de

dinámica de fluidos.

Para un fluido que circula por el interior de una tubería

circular recta, el número de Reynolds viene dado por:

Re = V.D

V = Velocidad del fluido (m/s)

D = Diámetro de la tubería (m)

= viscosidad cinemática del fluido (m2/S)

Hidráulica

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DEFINICION DE FLUIDO

Se define fluido como una sustancia que se deforma

continuamente bajo la acción de un esfuerzo de corte,

por tanto, en ausencia de este, no habrá deformación.

Los fluidos pueden clasificarse de manera general de

acuerdo con la relación entre el esfuerzo de corte

aplicado y la relación de deformación.

Hidráulica

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ECUACION DE CONTINUIDAD

Hidráulica

La Ecuación de Continuidad es una consecuencia

de principio de la conservación de la masa.

A1 V1 = A2 V2 = CTE

Q1 = Q2 = CTE

Ecuación de Energía

(Teorema de Bernoulli)

E1 = E2 = CTE …………. Flujos Ideales

P1 + V12 + Z1 = P2 + V2

2 + Z2

ɤ 2g ɤ 2g

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ECUACION DE CONTINUIDAD

Hidráulica

Para flujo laminar se tiene

Posewille Darcy

hf = 32 Uc x L x V hf = f LV2 f = 64

g. D2 2gD Re

L = Longitud (m) D = Diámetro (m)

V = Velocidad (m/s) g = Gravedad (m/s2)

Uc = Viscosidad cinemática (m2/s) f = Coeficiente de

Darcy

hf = Pérdida de carga (m) Uab = Uc = d. g

ɤ g

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FLUIDO NEWTONIANO

Aquellos fluidos donde el esfuerzo cortante es

directamente proporcional a la rapidez de

deformación se denominan fluidos newtonianos.

La mayor parte de los fluidos comunes como el

agua, el aire, y la gasolina son prácticamente

newtonianos bajo condiciones normales.

El término no newtoniano se utiliza para clasificar

todos los fluidos donde el esfuerzo cortante no es

directamente proporcional a la rapidez de

deformación.

Hidráulica

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La primera relación constitutiva para un fluido

viscoso la estableció Isaac Newton en 1687 al

proponer que para estos fluidos el esfuerzo de corte

aplicado y la deformación producida son

proporcionales, es decir, a mayor esfuerzo mayor

deformación.

La relación de Newton también puede expresarse

diciendo que el esfuerzo de corte y el cambio de la

velocidad en el fluido son proporcionales.

A la constante de proporcionalidad se le define como

la viscosidad del fluido; por esta razón a esta

relación constitutiva lineal también se le llama ley de

la viscosidad de Newton.

Hidráulica

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ECUACION DE FLUIDOS

NEWTONIANOS Matemáticamente, el rozamiento en un flujo unidimensional de un fluido

newtoniano se puede representar por la relación:

Donde:

Es la tensión tangencial ejercida en un punto del fluido o sobre

una superficie sólida en contacto con el mismo, tiene unidades de

tensión o presión ([Pa]).

µ Es la viscosidad del fluido, y para un fluido newtoniano depende sólo

de la temperatura, puede medirse en [Pa·s] o [kp·s/cm2].

Es el gradiente de velocidad perpendicular a la dirección al plano

en el que estamos calculando la tensión tangencial, [s−1].

Hidráulica

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FLUIDOS NEWTONIANOS Ley de Newton

dVx = - dz

flujo (N/m2)

dVx T = .A = - A dz

Caudal (N)

Viscosidad cinemática o

difusividad de

cantidad de movimiento

=

(m2/s)

d (Vx) d (Vx) T = -A = - dz dz/ A

Hidráulica

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VISCOSIDAD Y TEMPERATURA

A medida que aumenta la temperatura de un fluido

líquido, disminuye su viscosidad.

Esto quiere decir que la viscosidad es inversamente

proporcional al aumento de la temperatura.

La ecuación de Arrhenius predice de manera

aproximada la viscosidad mediante la ecuación:

Hidráulica

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Viscosidad de algunos líquidos y gases

a temperatura ambiente (20ºC).

Variación de la viscosidad de

líquidos y gases con la temperatura

Hidráulica

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Variación de la viscosidad cinemática y

densidad relativa de algunos líquidos

Hidráulica

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Hidráulica

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Hidráulica

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VISCOSIDAD NEWTONIANO Si se considera la deformación de dos fluidos newtonianos

diferentes, por ejemplo, glicerina y agua, se encontrará que se

deforman con diferente rapidez para una misma fuerza cortante.

La glicerina ofrece mucha mayor resistencia a la deformación que

el agua; se dice entonces que es mucho más viscosa.

En la mecánica de fluidos se emplea muy frecuentemente el

cociente de la viscosidad absoluta, u, entre la densidad, p. Este

cociente recibe el nombre de viscosidad cinemática y se representa

mediante el símbolo v. Como la densidad tiene dimensiones

[M/Lt], las dimensiones que resultan para v son [L2/t]. En el

sistema métrico absoluto de unidades, la unidad para v recibe el

nombre de stoke = cm2/s).

Hidráulica

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EJEMPLOS DE VISCOSIDAD

NEWTONIANO En un liquido, las moléculas tienen una movilidad limitada

con fuerzas cohesivas grandes presentes entre moléculas.

Un aumento en la temperatura disminuye la cohesión entre

las moléculas y existe un decrecimiento en la pegajosidad del

fluido, es decir, desciende la viscosidad.

En un gas, las moléculas tienen una gran movilidad y

generalmente están apartadas, existe poca cohesión entre

ellas, a medida que aumenta la temperatura se producirá una

mayor pegajosidad y con ello mayor viscosidad.

Hidráulica

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La experiencia ha demostrado que la gran variedad de líquidos y

gases newtonianos tienen una característica común, a saber, las

moléculas que los componen son ligeras, es decir, de bajo peso

molecular.

Como su nombre lo indica, el peso molecular es una medida del

peso de una molécula con respecto a un patrón de referencia, el

cual para todo propósito práctico se escoge como el peso de un

átomo de hidrógeno, y que puede tomarse como la unidad.

En consecuencia, el peso molecular de una sustancia es un

número que representa en forma aproximada, el número de

veces que el peso de la molécula en cuestión excede el peso de

un átomo de hidrógeno.

EJEMPLOS DE VISCOSIDAD

NEWTONIANO

Hidráulica

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Cuando las moléculas de un fluido son muy pesadas, por ejemplo con

pesos moleculares mayores de 100 000, la ley de viscosidad de

Newton ya no describe adecuadamente el flujo de estos fluidos; las

relaciones constitutivas ya no son tan simples, pues dejan de ser

instantáneas, aunque todavía pueden ser lineales. A esta clase de

fluidos se les llama "no newtonianos".

EJEMPLOS DE VISCOSIDAD

NEWTONIANO

La característica esencial de estos sistemas es que sus moléculas

son muy pesadas, con pesos moleculares entre 100 000 y 100 000

000, por eso se les llama macromoléculas.

Los polímeros tienen gran importancia en la vida y la civilización

humanas. Todas las formas de vida dependen de materiales

poliméricos como los ácidos nucleicos, las proteínas, los

carbohidratos, etc.

Hidráulica

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El proceso mediante el cual estas unidades se unen sucesiva y

repetidamente para formar cadenas largas y pesadas

(macromoléculas), se llama polimerización figura.

(a) Polimerización lineal,

(b) polimerización ramificada,

(c) polimerización del estireno.

Hidráulica

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EFECTO DEL SIFÓN

Lo practicamos al beber un líquido ordinario con un popote: el liquido

fluye a través de él en tanto que uno de sus extremos esté dentro del

líquido.

Para nuestra sorpresa, si en vez de agua tenemos un fluido no

newtoniano se observa que el efecto de sifón puede ocurrir aunque el

tubo de succión no esté inmerso en él.

De modo que un fluido polimérico puede

succionarse aun y cuando existan varios

centímetros de separación entre la

superficie del fluido y el extremo del tubo.

A este efecto se le conoce como sifón sin

Tubo.

Hidráulica

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Observamos que si ponemos agua en un vaso de precipitados y lo agitamos a

una velocidad moderada con un agitador cilíndrico, en la superficie del agua

alrededor del agitador se produce una depresión.

En realidad el efecto podría haberse anticipado, pues por la acción del

agitador el agua también empieza a girar y la fuerza centrifuga tiende a

desplazarla hacia las paredes del recipiente.

El resultado neto es acumular fluido en

Las paredes y producir una deficiencia

alrededor del cilindro, la cual se manifiesta

en la depresión central. Sin embargo, esta

explicación intuitiva es inválida si el fluido

es polimérico.

A este fenómeno se le conoce como EFECTO WEISSENBERG y fue

descubierto por Karl Weissenberg en Inglaterra durante la segunda Guerra

Mundial.

Hidráulica

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EFECTO DE MEMORIA

Esta es una manifestación de la

memoria del fluido y en reología

se le llama efecto de memoria

desvaneciente, pues se observa que

el fluido no recupera totalmente sus

configuraciones previas, lo que

significa que la memoria se

desvanece (relaja) a medida que el tiempo transcurre.

Aquí mostramos gráficamente este efecto en la figura, donde los

perfiles con líneas oscuras representan, de forma esquemática, el

comportamiento del fluido antes de y en el momento de desconectar

la bomba.

Hidráulica

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EFECTO DE HINCHAMIENTO Otro efecto un tanto sorprendente es el comportamiento que

exhibe un fluido polimérico al emerger de un orificio.

En el caso del agua, ésta no se expande ni se contrae, pero un

líquido polimérico puede "hincharse" y aumentar su sección

transversal ¡hasta por un factor de cinco! De hecho, este efecto

podemos observarlo fácilmente al oprimir un tubo de pasta

dental.

Hidráulica

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Imaginemos que llenamos con agua un tubo relativamente ancho el cual está

conectado por uno de sus extremos a otro tubo de diámetro menor, y que

dejamos que el agua fluya lentamente del primero al segundo cuando están

colocados verticalmente.

En el caso del agua no vemos otra cosa, aparte de que ésta aumenta su velocidad

al pasar al tubo más angosto.

En cambio, con el fluido polimérico observamos

que se forman pequeños vórtices (remolinos)

en la vecindad de la conexión entre ambos

tubos. Las partículas de fluido atrapadas en ellos

nunca caen al tubo menor. ¡Qué magnífico espectáculo sería contemplar una

catarata producida por un flujo polimérico!

Este efecto se muestra esquemáticamente en la figura.

EFECTOS DE VÉRTICE A LA SALIDA DE UN

RECIPIENTE

Hidráulica

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NUEVAMENTE LOS EFECTOS DE MEMORIA

Finalmente, otro efecto no menos impresionante se observa si en

un tubo de ensayo que contenga un líquido arrojamos dos

esferas, una después de la otra.

En el caso del agua observamos que la segunda siempre precede

a la primera y choca con ella. Inténtelo el lector con dos esferas

no muy pesadas.

Hidráulica

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NUEVAMENTE LOS EFECTOS DE MEMORIA

Pero si ahora repetimos la experiencia con un líquido polimérico,

ocurre lo mismo si la segunda esfera se arroja inmediatamente

después de la primera, pero para cada fluido existe un tiempo

crítico después del cual ¡las esferas tienden a separarse mientras

caen!

Otra vez, el líquido percibe o guarda memoria del efecto producido

por la perturbación inicial

Hidráulica

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FLUIDOS NO NEWTONIANOS

LA VISCOSIDAD DEPENDE DEL

GRADIENTE DE LA VELOCIDAD

Hidráulica

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INTRODUCCION A LOS FLUIDOS

NO NEWTONIANOS Introducción.

Lo que mostraremos en nuestro proyecto es

cómo se comporta un fluido no newtoniano a

partir de la mezcla de agua y maicena que en

proporciones adecuadas se convertirá en

fluido no newtoniano El conocimiento de los fluidos no newtonianos

permitirá demostrar el comportamiento de

estos fluidos a través del experimento de

maicena con agua, conociendo sus

propiedades y sus diferentes fenómenos.

Hidráulica

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Ley de la viscosidad

En 1697, sir Isaac Newton escribio su famoso

Philosophiae Neturalis Principia Mathematica

en la que expresó su idea de un fluido ideal.

“La resistencia que surge de la falta de

deslizamiento originario de un fluido, en

igualdad de condiciones, es proporcional a la

velocidad de que las partes del fluido están

siendo separados entre si”

Hidráulica

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Fig. Nº1- Deformación de un elemento fluido

A los fluidos cuya relación entre tensión-- velocidad de

deformación no es proporcional, se los ha denominado

fluidos no-newtonianos

Ley de la viscosidad

Hidráulica

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Pueden mencionarse, entre otros ,los siguientes fluidos no-

newtonianos: • Pinturas y barnices.

• Soluciones de polímeros.

• Mermeladas y jaleas.

• Mayonesa y manteca.

• Dulce de leche y la miel.

• Salsas y melazas.

• Soluciones de agua con arcillas y

carbón.

• La sangre humana.

Ejemplos

Hidráulica

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Fluidos no newtonianos

Fluidos pseudoplásticos: adisminuye

al aumentar el gradiente de velocidad.

Fluidos dilatantes: aaumenta con el

gradiente de velocidad.

dVx = - a dz

Hidráulica

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Plástico ideal o de Bingham: hasta que no se alcanza una

determinada tensión rasante (0) no hay deformación del fluido,

luego se comportan como fluidos newtonianos

Plástico real: hasta que no se alcanza una determinada tensión

rasante (0) no hay deformación del fluido pero luego no se

comportan como fluidos newtonianos

Fluidos no newtonianos

(0): tensión de fluencia

Hidráulica

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REGÍMENES DE CIRCULACIÓN DE UN

FLUIDO Dependencia

Velocidad del fluido

Propiedades del fluido

Presencia de cuerpos sólidos

Régimen laminar:

Bajas velocidades de fluido

Transporte molecular ordenado: partículas desplazándose en

trayectorias paralelas.

Régimen de transición.

Régimen turbulento:

Altas velocidades de fluido

Transporte molecular turbulento: partículas y porciones

macroscópicas del fluido se entremezclan al azar desplazándose

en todas direcciones.

Hidráulica

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REGÍMENES DE CIRCULACIÓN DE UN

FLUIDO

Perfiles de velocidad en

régimen laminar y

turbulento

Hidráulica

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REGÍMENES DE CIRCULACIÓN DE UN

FLUIDO Experimento de Reynolds para determinar el

tipo de flujo de un fluido El régimen de flujo se

determina mediante la siguiente

expresión empírica:

Número de Reynolds

(Adimensional):

V: velocidad del fluido (m/s) ;

D: diámetro de la conducción (m);

: viscosidad cinemática del fluido

(m2/s).

DV Re

Conducciones cilíndricas

Re ≤ 2 000 (Régimen laminar)

2 000 ≤ Re ≤ 4 000 (Transición)

Re ≥ 4 000 (Régimen turbulento)

Hidráulica

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REGÍMENES DE CIRCULACIÓN DE UN

FLUIDO ð En un proceso de conducción específico suelen

coexistir las dos condiciones límites de flujo: laminar y

turbulento

ð Se introduce el concepto de subcapa laminar

Hidráulica

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Definición de la velocidad de un fluido Velocidad media (V): Definida en función del caudal volumétrico

(Qv).

Medida experimental:

S: área de la sección transversal que atraviesa el fluido

Velocidad eficaz (Ve): Definida en función de la energía cinética.

S

QvV

22 D4

rS

2

ecVm

2

1E

m

EcVe

22

Parámetro : relaciona Ve y V.

2

2

eV

V

Hidráulica

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TIPOS DE FLUJO (en función de la

densidad) Incompresible: la densidad es constante con la

presión, líquidos.

Compresible: la densidad es función de la presión

Flujo interno de fluidos

Implica consumo y aporte de energía

Cantidad de energía necesaria para transportar

un fluido entre diferentes puntos de una instalación.

Las pérdidas de carga por rozamiento en el

interior de la conducción.

Hidráulica