Capítulo 3 Fundamentos del Flujo III
3.2 Características de los flujos
Este capítulo presenta algunas de las características importantes de un flujo. La diferencia en las características del flujo puede afectar la forma en que se analiza el flujo. Además, conocer las características del flujo es muy importante a la hora de evaluar la validez de un resultado obtenido.
3.2.1 Fluidos compresibles/incompresibles
La compresión y la expansión son características importantes de un fluido. Recuerde que un líquido puede ser un líquido o un gas. Si la compresión y la expansión tienen un efecto significativo en la densidad del fluido (kg/m3), el fluido se denomina fluido compresible. Considere un ejemplo simple de un gas en un cilindro como se muestra en la Figura 3.10. El cilindro está sellado para que el gas no pueda entrar ni escapar. El volumen del fluido cambia a medida que el pistón se mueve. Sin embargo, la masa del sistema no cambia porque no se permite que el gas entre o salga del cilindro. Por lo tanto, la densidad del fluido debe cambiar debido al cambio en el volumen.
Figura 3.10: fluido Compresible
Por otro lado, cuando la compresión y expansión no afectan significativamente la densidad del fluido, el fluido se llama un fluido incompresible. El volumen de un fluido incompresible no cambia y su densidad se trata como una constante. Considere un líquido en un cilindro. Si el cilindro está sellado, el pistón dejará de moverse una vez que entre en contacto con el líquido. A medida que el pistón se retrae, se crea un espacio vacío sobre la superficie del líquido. La cantidad de espacio (volumen) que ocupa el líquido no cambia (en realidad, el volumen cambia, pero el cambio es muy pequeño). Dado que la cantidad de líquido casi no cambia, la densidad del fluido (kg/m3) es constante. Los líquidos siempre se consideran fluidos incompresibles, ya que los cambios de densidad causados por la presión y la temperatura son pequeños.
Mientras que intuitivamente los gases siempre pueden parecer fluidos incompresibles si se permite que el gas se mueva, un gas puede tratarse como incompresible si su cambio en la densidad es pequeño. Considere el cilindro lleno de gas como se muestra en la Figura 3.11. Se agregan puertos al cilindro que permiten que el gas entre o salga del cilindro. A medida que el pistón empuja hacia abajo, el gas sale del puerto porque el volumen del cilindro disminuye. La cantidad de masa del gas también disminuye proporcionalmente, y la densidad del gas (kg/m3) en el cilindro no cambia. Cuando el pistón se retrae, el volumen del sistema aumenta, el gas (masa) entra a través del puerto y la densidad del gas (kg/m3) permanece de nuevo esencialmente constante. En esta situación, el gas se comporta como un fluido incompresible. En un sentido estricto, no existe un fluido completamente incompresible. Sin embargo, cuando la densidad cambia debido a la presión (el movimiento del pistón aplica presión al fluido en el cilindro) o la temperatura es pequeña, aproximar un fluido como un fluido incompresible puede simplificar en gran medida los cálculos.
Figura 3.11: Fluido incompresible
Una medida del grado de compresibilidad de un gas es el número Mach M del flujo. El número de Mach es la relación entre la velocidad del fluido y la velocidad del sonido. Cuando M < aprox. 0.3, un líquido puede tratarse como incompresible. Para una temperatura del aire de 20 ° C, la velocidad del sonido es de aproximadamente 340 m/s. Por lo tanto, si la velocidad del fluido es de 100 m / s o superior, se debe considerar la compresibilidad en los cálculos. Para velocidades de fluido inferiores a 100 m/s, el fluido puede considerarse incompresible. Además, si la temperatura del fluido cambia significativamente (esto es diferente de que el fluido esté a una temperatura alta o baja constante), la densidad del fluido también cambiará sustancialmente durante la expansión o compresión del volumen. En este caso, el líquido también se puede tratar como un líquido compresible.
Sobre el autor
Atsushi Ueyama / Nacido en septiembre de 1983, Hyogo, Japón
Tiene un Doctorado en Filosofía en Ingeniería de la Universidad de Osaka. Su investigación doctoral se centró en el método numérico para el problema de interacción fluido-sólido. Es ingeniero consultor en Software Cradle y proporciona soporte técnico a los clientes de Cradle. También es profesor activo en seminarios y cursos de formación de Cradle.