Mecanica de Fluidos[Shames] - DS

Principios básicos de mecánica de fluidos Primera parte 3 1 Nociones fundamentales 3 1.1 Nota histórica 3 Fluidos y el continuo 1.2 1.3 Dimensiones y unidades 5 * 7 Ley de la homogeneidad dimensional 1.4 9 Una nota sobre fuerza y masa 1.5 10 1.6 Ley de viscosidad de Newton: el coeficiente de viscosidad 15 “1.7 Una nota sobre materiales no newtonianos 17 El gas perfecto: ecuación de estado 1.8 19 Compresibilidad de líquidos; tensión superficial *1.9 27 1.10 Colofón 37 Esfuerzo en un punto 2 37 Introducción 2.1 37 Cantidades escalares, vectoriales y tensores: campos 2.2 38 Fuerzas superficiales y de cuerpo; esfuerzo 2.3 Esfuerzo en un punto para un fluido en reposo y 2.4 39 para flujos no viscosos 41 *2.5 Movimiento de fluidos viscosos 43 2.6 Propiedades de esfuerzo 45 2.7 El gradiente 47 Colofón 2.8 53 3 Estática de fluidos 53 3.1 Introducción 53 3.2 Variación de la presión en un fluido estático incompresible vii 3.3 Variación de la presión con la elevación para un fluido 56 estático compresible 59 3.4 La atmósfera estándar 3.5 Efecto de la fuerza superficial sobre un fluido confinado que 61 permanece estático Fuerza hidrostática sobre una superficie plana sumergida en 3.6 61 un fluido estático incompresible 68 3.7 Fuerza hidrostática sobre superficies curvas sumergidas 71 “3.8 Una nota sobre superficies curvas complejas 3.9 Ejemplos de fuerzas hidrostáticas sobre superficies curvas 73 sumergidas 77 Leyes de boyamiento 3.10 83 *3.11 Consideraciones de estabilidad para cuerpos en flotación 88 3.12 Colofón 107 4 Fundamentos del análisis de flujo 107 4.1 El campo de velocidad 109 4.2 Dos puntos de vista 110 4.3 Aceleración de una partícula de flujo 113 Flujo irrotacional 4.4 119 4.5 Relación entre flujo irrotacional y viscosidad 120 4.6 Leyes básicas y secundarias para medios continuos 120 4.7 Sistemas y volúmenes de control 4.8 Una relación entre el enfoque de sistemas y el enfoque de 121 volúmenes de control 127 4.9 Flujos unidimensionales 131 4.10 Colofón 5 Leyes básicas para sistemas finitos y volúmenes de 137 control finitos, 1: continuidad y momentum 137 5.1 Introduccibn 137 Parte A. Conservación de la masa 137 5.2 Ecuación de continuidad 141 Parte B. Momentum lineal 141 5.3 Análisis de sistemas 142 Volúmenes de control fijos en un espacio inercia1 5.4 144 5.5 Empleo de la ecuación de momentum lineal en un volumen de control 159 *5.6 Volúmenes de control no inerciales 163 *Parte C. Momento de momerztum 163 5.7 Momento de momentum para un sistema 5.8 Método del volumen de control para la ecuación de 165 momento de momentum en volúmenes de control inerciales 172 5.9 Ecuación de momento de momentum aplicada a bombas y turbinas 17’7 Momento de momentum para volúmenes de control no inerciales “5.10 182 5.11 Colofón viii 6 Leyes básicas para sistemas finitos y volúmenes 203 de control finitos. II: termodinámica 203 6.1 Introducción 203 6.2 Nota preliminar 204 6.3 Ancílisis de sistemas 205 6.4 Análisis del volumen de control 210 6.5 Problemas que involucran la primera ley de la termodinámica 6.6 Ecuación de Bernoulli a partir de la primera ley de la 216 termodinámica 222 6.7 Una nota sobre la segunda ley de la termodinámica 222 "6.8 La segunda ley de la termodinámica 224 6.9 Colofón 237 7 Formas diferenciales de las leyes básicas 237 7.1 Introducción Parte A. Desarrollo elemental de las formas 238 diferenciales de las leyes básicas 7.2 238 Conservación de la masa 240 7.3 Ley de Newton; ecuacibn de Euler "7.4 Líquidos bajo aceleración lineal uniforme o bajo 241 velocidad angular constante 7.5 Integración de la ecuación de Euler para flujo 249 permanente; ecuación de Bernoulli 250 7.6 Ecuación de Bernoulli aplicada aflujo irrotacional 251 Ley de Newton para flujos generales *7.7 254 7.8 Problemas que involucran flujos laminares paralelos *Parte B. Forma diferencial de las leyes básicas: 262 una aproximación más general 262 7.9 Notación Índice y fórmula de Cauchy 264 7.10 Teorema de Gauss 266 7.11 Conservación de la masa 266 Ecuaciones de momentum 7.12 268 7.13 Primera ley de la termodinámica 271 7.14 Segunda ley de la termodinámica 272 7.15 Leyes b;ísicas en coordenadas cilíndricas 273 7.16 Colofón 281 Análisis dimensional y similitud 8 281 8.1 Grupos adimensionales 281 Parte A. Análisis dimensional 281 8.2 Naturaleza del análisis dimensional 283 8.3 Teorema de n de Buckingharn 285 8.4 Grupos adimensionales importantes en mec5nica de fluidos 285 Crílculo de los grupos adimensionales 8.5 291 Parte B. Similitud 291 8.6 Similitud dinámica ix 293 8.7 Relación entre análisis dimensional y similitud CONTENIDO 8.8 Significado físico de grupos adimensionales importantes 297 en mecánica de fluidos 300 8.9 Uso práctico de los grupos adimensionales 302 8.10 Similitud cuando se conoce la ecuación diferencial 303 8.11 Colofón Segunda parte Análisis de flujos internos importantes 315 Flujo viscoso incompresible a través de tuberías 9 315 Parte A. Comparación general entre flujos laminares y flujos turbulentos 315 9.1 Introducción 316 Flujos laminares y turbulentos 9.2 Parte B. Flujo laminar 318 Primera ley de la termodinámica para flujo en tuberías; 9.3 318 pérdida de altura 323 9.4 Problemas de flujo laminar en tuberías 326 Condiciones de entrada a la tubería 9.5 Parte C. Flujos turbulentos: consideraciones experimentales 327 327 9.6 Nota preliminar 328 Pérdida de altura en una tubería 9.7 9.8 Perfil de velocidad y esfuerzo cortante en la pared para 333 flujo turbulento 335 Pérdidas menores en sistemas de tuberías 9.9 Parte D. Problemas de flujo en tuberías 340 340 Solución a problemas de tuberías en serie 9.10 349 Líneas de altura piezométrica y de energía total 9.11 351 Conductos no circulares 9.12 Parte E. Flujos turbulentos con números de Reynolds elevados 353 353 9.13 Esfuerzo aparente 9.14 Perfiles de velocidad para flujos turbulentos con números 355 de Reynolds elevados 9.15 Detalles de los perfiles de velocidad para tuberías 362 lisas y rugosas 367 9.16 Problemas para flujos con números de Reynolds elevados Parte F. Flujo en tuberías en paralelo 370 370 Problemas de tuberías en paralelo *9.17 374 “9.18 Tuberías ramificadas 378 9.19 Colofón 10 Flujo viscoso incompresible general: las ecuaciones de Navier-Stokes 397 397 10.1 Introducción 398 Parte A. Flujo laminar 398 * 10.2 Ley de viscosidad de Stokes 403 Ecuaciones de Navier-Stokes para un flujo laminar incompresible 10.3 10.4 Flujo paralelo: consideraciones generales 406 408 10.5 Problemas de flujo paralelo laminar x 10.6 Una nota 414 CONTEN100 Ecuaciones de Navier-Stokes simplificadas para una *10.7 415 placa de flujo muy delgada 418 Ley de similitud dinAmica a partir de las ecuaciones de Navier-Stokes “10.8 422 *Parte B. Flujo turbulento 422 10.9 Un comentario 422 Promedios temporales para flujo turbulento permanente 10.10 10.11 Ecuaciones de Navier-Stokes para las magnitudes medias 423 temporales: esfuerzo aparente 427 Manifestación del esfuerzo aparente: viscosidad de remolino 10.12 427 Colofón 10.13 431 Flujo compresible unidimensional ll 431 11.1 Introducción 432 Parte A. Preliminares básicos 432 Relaciones termodinámicas para un gas perfecto 11.2 434 ll .3 Propagación de una onda elástica 438 11.4 El cono de Mach 440 11.5 Una nota sobre flujo compresible unidimensional 440 Parte B. Flujo isentrópico con cambio simple de área 440 ll.6 Leyes básicas y secundarias para flujo isentrópico ll.7 Propiedades locales en el punto de estancamiento isentrópico Una diferencia importante entre flujo subsónico y flujo 11.8 446 supersónico unidimensional 448 Flujo isentrópico de un gas perfecto 11.9 451 Flujo en una boquilla real en condiciones de diseno 11.10 454 Parte C. La onda de choque normal 454 11.11 Introducción 455 Líneas de Fanno y de Rayleigh 11.12 458 11.13 Relaciones para una onda de choque normal 459 Relaciones de onda de choque normal para un gas perfecto 11.14 464 11.15 Una nota sobre ondas de choque oblicuas 468 Parte D. Operación de boquillas 468 11.16 Una nota sobre chorros libres 469 11.17 Operación de boquillas *Parte E. Flujo a través de un dueto de sección 473 constante con fricción 473 Introducción 11.18 474 11.19 Ecuaciones de flujo adiabático en sección constante para un gas perfecto *Parte F. Flujo permanente a través de un dueto 482 de sección constante con transferencia de calor 482 11.20 Introducción 483 11.21 Relaciones para un gas perfecto 488 Colofón ll.22 Tercera parte Análisis de flujos externos importantes 12 Flujo potencial 501 xj. 501 12.1 Introducción CONTENIDO 502 Parte A. Consideraciones matemáticas 502 Circulación: conectividad de regiones 12.2 503 12.3 Teorema de Stokes 505 12.4 Circulación en flujos irrotacionales 505 12.5 Potencial de velocidad 507 Parte B. Función de corriente y relaciones importantes 507 Función de corriente 12.6 509 12.7 Relación entre la función de corriente y el campo de velocidad 510 Relación entre la función de corriente y las líneas de corriente 12.8 Relación entre la función de corriente y el potencial de velocidad 12.9 511 para flujos irrotacionales, bidimensionales e incompresibles 12.10 Relaciones entre las líneas de corriente y las líneas 512 de potencial constante Parte C. Análisis básico de flujo bidimensional, 513 incompresible e irrotacional 513 12.11 Un análisis acerca de las cuatro leyes básicas 516 12.12 Condiciones de frontera para flujos no viscosos 516 Coordenadas polares 12.13 520 Parte D. Flujos simples 520 Naturaleza de los flu,jos simples que se estudiarán 12.14 521 12.15 Metodologías de solución para flujo potencial 524 Flujo uniforme 12.16 524 12.17 Fuentes y sumideros bidimensionales 526 12.18 El vórtice simple 528 12.19 El doblete 533 Parte E. Superposición de flujos simples bidimensionales 533 12.20 Nota introductoria sobre el método de superposición 533 12.21 Sumidero con vórtice 535 Flujo alrededor de un cilindro sin circulación 12.22 537 12.23 Sustentación y arrastre para un cilindro sin circulación 538 Caso del cilindro giratorio 12.24 541 Suslentación y arrastre para un cilindro con circulación 12.25 545 *Parte F. Flujos axisimétricos tridimensionales 545 12.26 Introducción 546 12.27 Función de corriente de Stokes 12.28 Relación entre líneas de corriente, función de corriente 547 y campo de velocidad 549 12.29 Aplhción de las leyes básicas 550 12.30 Flu.jo uniforme 551 12.31 Fuentes y sumideros tridimensionales 552 12.32 Doblete tridimensional 553 12.33 Flujo permanente alrededor de una esfera 555 Flu,j~s alrededor de cuerpos de revolución 12.34 558 12.35 Coll)fón 571 13 Teoría de capa límite 571 Anotaciones introductorias xii 13.1 572 13 .i 1 Espesor de la capa límite CONTENIDO .- Ecuaciones simplificadas de la capa límite para flujo laminar; “13.3 575 ecuación de Blasius 13.4 Ecuación integral de momentum de Von Kármán y fricción 581 superficial 583 Parte A. Capas límites laminares 583 13.5 Uso de la ecuación integral de ~onwlfw?z de Von Kármán 586 Fricción superficial para flujo en una capa límite laminar 13.6 591 13.7 Transición para flujo en una placa plana 593 Parte B.1 Capas límites turbulentas: placas lisas 593 Espesor de la capa límite sobre placas planas lisas 13.8 596 Arrastre por fricción superficial sobre placas lisas 13.9 602 Parte B.2 Capas límites turbulentas: placas rugosas Arrastre por fricción superficial en capa límite turbulenta 13.10 602 sobre placas rugosas 606 Parte C. Flujo sobre cuerpos curvos sumergidos 606 Flujo sobre fronteras curvas; separación 13.11 609 13.12 -Arrastre sobre cuerpos sumergidos 620 Estela detrk de un cilindro “13.13 621 Perfiles de alas; comentarios gcneralrs *13.14 625 Temas adicionales sobre perfiles de alas, arrastre inducido y flujo transónico “13.15 628 13.16 Colofón 645 Flujo a superficie libre 14 645 Introducción 14.1 645 Consideración del perfil de velocidad 14.2 646 Flujo normal 14.3 651 14.4 Flujo normal: métodos modernos 655 14.5 Sección hidkiulicamente óptima 658 Ondas gravitacionales 14.6 660 14.7 Energía específica; flujo crítico 668 Flujo variado en canales rectangulares cortos 14.8 672 ‘14.9 Flujo gradualmente variado sobre canales largos Clasificación de los perfiles superficiales para flujos *14.10 677 gradualmente variados 682 Flujo rápidamente variado; el resalto hidrhulico 14.11 687 Colofhn 14.12 699 15 *Turbomaquinaria 499 Parte A. Consideraciones generales 699 15.1 Introducción 70 I 15.2 Relaciones de similitud para turbomkluinas 704 Velocidad específica 15.3 707 Las leyes bkicas 15.4 710 Parte B. Turbinas 7 1 0 xiji 15.5 Comentarios introductorios 710 15.6 Turbinas de i~npulso 715 15.7 Turbinas de reacción de flujo radial y axial 720 Turbinas (y compresores) de reacción con cascadas de Slabes 15.8 723 Parte C. Ventiladores, bombas, sopladores y compresores 723 Anotaciones introductorias 15.9 724 Bombas y sopladores de flujo radial 15.10 731 15.11 Colofón 739 16 *Mecánica computacional de fluidos 739 16.1 Introducción 739 Parte A. Métodos numéricos 1 739 16.2 Operaciones numéricas para derivación e integración Parte B. Problemas de flujo representados mediante 745 ecuaciones diferenciales ordinarias 745 Un comentario 16.3 16.4 Introducción a la integración numérica de ecuaciones 745 diferenciales ordinarias 747 16.5 Notas sobre programación 748 Problemas 16.6 Parte C. Problemas de flujo permanente representados 760 mediante ecuaciones diferenciales parciales Introducción a los problemas de flujo permanente con 16.7 760 valores frontera 764 16.8 Flujo potencial 767 Flujo viscoso laminar incompresible en un dueto 16.9 770 16.10 Proyectos 773 Respuestas a problemas seleccionados 779 Bibliografía 781 Métodos de medición A.1 781 Introducción A.T. 1 781 Medición de presiones A.T.2 783 A.T.3 Medición de velocidades 784 A.I.4 Medición de caudal en flujo incompresible en tuberías 789 A.I.5 Medición de caudal en flujo compresible en tuberías 793 Medidas de flujo a superficie libre; el vertedero A.1.6 796 A.I.7 Medición de la viscosidad 800 A.1.8 Colofón A.11 Deducción de la ecuación diferencial para el flujo adiabático en 801 área constante para un gas perfecto 803 B Curvas y tablas 814 índice XiV

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