✅ MECÁNICA DE FLUIDOS: CLASIFICACIÓN DE FLUJOS Y PÉRDIDA DE ENERGÍA

Conocemos como “Fluido” al medio continuo que está formado por alguna sustancia (líquido o gas) y que tiene como característica que sus moléculas solo presentan una fuerza de atracción débil. Todo tipo de fluido se caracteriza por presentar modificaciones en su estructura sin la necesidad de que exista la presencia de alguna fuerza restituida que haga que este vaya recuperando su estado original. Podemos considerar como flujo a aquella sustancia en la cual sus partículas se unen por las fuerzas de cohesión entre estas y presentan fuerzas de adherencia con distintas superficies que contiene el flujo, ya sean líquidos o gases. Para poder estudiar el movimiento de cualquier fluido, siempre será necesario y se requerirá de la aplicación de las leyes de movimiento que rigen la física, las propiedades más importantes del fluido y las características del medio que lo rodea.

CLASIFICACIÓN DE FLUJOS

En la mecánica de fluidos, los flujos pueden clasificarse por distintas maneras, ya sea por su velocidad, por su densidad, por variación de velocidad respecto al tiempo, por su magnitud, y por efectos del vector velocidad.

Flujos por su velocidad: En este tipo de flujo podemos encontrar al flujo laminar y al flujo turbulento. El flujo laminar tiene la característica de transitar en forma de laminas debido a la baja velocidad con la que fluye la sustancia. Las láminas se presentan en paralelas unas con otras. El flujo laminar relaciona la tensión cortante con la velocidad de deformación angular. Por otra parte, el flujo turbulento se característica por el desorden que presentan sus partículas al momento de transitar, se mueven en distintas direcciones y su movimiento es ocasionado debido a las altas velocidades. Realizar el análisis del movimiento de una sola partícula resulta un trabajo prácticamente imposible. Para determinar el tipo de flujo se emplea el número de Reynolds, es un número adimensional y relaciona fuerzas de inercia con fuerzas debido a la viscosidad del fluido. Un fluido será laminar si su número de Reynolds es menor que 2000, será turbulento si su número de Reynolds es mayor a 4000, y se encontrará en transición cuando su número de Reynolds oscile entre 2000 y 4000.
Flujos por cambios en su densidad respecto al tiempo: En este grupo se encuentran los flujos compresibles e incompresibles. Los flujos compresibles son aquellos que tienen como característica que el cambio de densidad no se desprecia de un punto a otro. Mientras que el flujo incompresible desprecia los cambios de densidad de un punto a otro. La compresibilidad en los líquidos es muy pequeña, por lo cual los líquidos son considerados como incompresibles, mientras que los gases son fluidos que se consideran compresibles.
Flujos para la dirección de la velocidad: Está conformado por el flujo uniforme y el flujo no uniforme. El flujo uniforme es aquel en el cual el vector de la velocidad es el mismo en cualquier punto en un instante determinado. El flujo no uniforme presenta cambios en el vector velocidad, es decir, no es el mismo en cualquier punto.
Flujos por la variación de velocidad respecto al tiempo: Este grupo está conformado por el flujo permanente y el flujo no permanente. El flujo permanente es aquel en el cual su velocidad se mantiene constante respecto al tiempo, es decir, no cambia de un punto a otro. El flujo no permanente es aquel en el cual su velocidad cambia respecto al tiempo por más mínima que sea esa variación, no se mantiene constante de un punto a otro.
Flujos por el vector velocidad: Este grupo está conformado por 6 flujos característicos: rotacional, irrotacional, unidimensional, bidimensional, tridimensional e ideal. El flujo rotacional está presente cuando el campo rotacional tiende a cero en varios puntos en diferentes instantes de tiempo, mientras que en el flujo irrotacional el vector rotacional tiende a cero en cualquier punto y en diferentes instantes de tiempo. El flujo unidimensional solo considera el análisis del vector velocidad en una sola dirección, es decir, solo dependerá de una variable espacial. El flujo bidimensional realiza el análisis en dos direcciones, es decir, el vector velocidad dependerá de dos variables espaciales. El flujo tridimensional establece el análisis en tres direcciones o coordenadas. Por último, el flujo ideal es aquel flujo que se considera incompresible y libre de viscosidad.

PÉRDIDA DE CARGA EN FLUJOS LAMINARES

Todo flujo a través de una tubería siempre irá acompañado por una pérdida de carga, ya sea por fricción, accesorios o desnivel. La fórmula de Hagen – Poiseuille es la se encarga de establecer la pérdida de carga en un flujo laminar. Para poder determinar pérdidas de carga por fricción en una tubería, suele aplicarse la metodología de Darcy – Weisbach, esta ecuación relaciona la longitud de la tubería, el diámetro, la velocidad y un coeficiente “f” conocido como coeficiente de fricción. Este coeficiente varía según el tipo de material de la tubería. Para un flujo laminar, el cálculo del coeficiente de fricción solo dependerá del número de Reynolds, mientras que para un flujo turbulento el cálculo se complica, puesto que dependerá del diámetro, rugosidad, Reynolds de la tubería, además se deberán realizar iteraciones para poder obtener un valor más acertado.

FLUJO EN SISTEMA DE TUBERÍAS

Los flujos más conocidos se realizan en tuberías paralelas y tuberías en serie. El movimiento de flujo por tuberías en serie solo se realiza por un sentido para transportar el fluido de un punto a otro. Para este caso tendremos que el caudal que pasa por cada una de las tuberías que componen el sistema será el mismo, además la pérdida de carga en sistema estará conformada por la suma de todas las pérdidas de carga que sufra cada tubería. El movimiento de flujo por tuberías en paralelo se realiza por varios sentidos, es decir, para transportar el agua de un punto a otro se realiza por varios caminos. En este sistema el caudal transportado será igual a la suma de todos los caudales de las tuberías que se encuentren en paralelo, mientras que la pérdida de energía que sufra todo el sistema será la misma que sufra cada una de las tuberías que se encuentran en paralelo.