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DinDináámicamica de de loslos
FluFluíídosdos
FluFluíídosdos
�� SubstanciasSubstancias queque no no trasmitentrasmiten esfuerzosesfuerzos
�� Se Se deformandeforman cuandocuando se les se les aplicaaplica unauna fuerzafuerza
�� IncluyeIncluye, , aguaagua y gasesy gases
�� FuerzasFuerzas –– actactúúanan en en todotodo el el flufluíídodo
PropiedadesPropiedades de de loslos
FluidosFluidos
Los dos parámetros principales son: densidad y viscosidad.
Densidad es una medida del peso por unidad de area (g/cm2)
Viscosidad es una magnitud relacionada con la resistencia del
fluído a la cizalla y se mide en Poison (g/cm/sec).
Un factor importante que afecta densidad y viscosidad es la
temperatura.
ViscosidadViscosidad
�� MedidaMedida de la de la friccifriccióónn internainterna entreentre laslas partpartíículasculas de un de un
flufluíídodo
�� CohesiCohesióónn molecularmolecular
�� ResistenciaResistencia del del flufluíídodo a a deformarse deformarse (o (o flufluíírr))
�� ViscosidadViscosidad dindináámicamica = = µµ = = esfuerzoesfuerzo de de cizallacizalla//ritmo
de cambio de θ por unidad de tiempo
La La concentraciconcentracióónn y y mineralogmineralogííaa de de laslas arcillasarcillas en en suspensisuspensióónn
dentrodentro de un de un flufluíídodo tienetiene unauna influenciainfluencia importanteimportante sobresobre la la
densidaddensidad y la y la viscosidadviscosidad
ViscosidadViscosidad CinemCinemááticatica
�� ViscosidadViscosidad constanteconstante a T a T constanteconstante; ; ρρ no no dependedepende del del esfuerzoesfuerzo de de cizallacizalla o de la o de la duraciduracióónn del del esfuerzoesfuerzo ––FluFluíídodo NewtonianoNewtoniano
�� TT↑↑ µµ↓↓
�� Viscosidad cinemViscosidad cinemááticatica determinadetermina cuandocuando un un flujoflujodesarrolladesarrolla turbulenciaturbulencia
vµ
ρ=
µ = viscosidad
ρ= densidad
PresiPresióónn y y CizallaCizalla
�� CizallaCizalla ((ττ) ) -- ejercidoejercido paraleloparalelo a la a la superficie superficie
CizallaCizalla ((ττ) = F/A) = F/A
�� PresiPresióónn –– ejercidaejercida perpendicular a la perpendicular a la superficie superficie
PresiPresióónn = F/A= F/A
EsfuerzosEsfuerzos: :
FlujosFlujos LaminaresLaminares vsvs TurbulentosTurbulentos
�� Se le Se le agregaagrega unauna viscosidadviscosidad aparenteaparente ((viscosidadviscosidad de de
remolinoremolino) () (ηη) a la ) a la ecuaciecuacióónn parapara flujosflujos turbulentosturbulentos
�� La La turbulenciaturbulencia genera genera esfuerzosesfuerzos mayoresmayores sobresobre losalosa
flufluíídosdos adyacentesadyacentes queque en en loslos flujosflujos laminareslaminares
du
dyτ µ= ( )
du
dyτ µ η= +
Flujo Laminar Flujo Turbulento
Flujos Fluídos
Laminares Versus Turbulentos.
Los números de Reynolds y Froude proveen un modo de espresar la
naturaleza del flujo en términos de su comportamiento dinámico.
Número de Reynolds. Expresa la relación entre las fuerzas
inerciales y viscosas dentro de un fluído y entonces el grado de
turbulencia. Se calcula usando la ecuación:
R = fuerzas inerciales = UL U = velocidad del flujo
fuerzas viscosas V L = profundidad del flujo
V = viscosidad del fluído
El flujo en canales abiertos donde hay una superficie libre y las
fuerzas gravitacionales son importantes se describen utilizando el
Número de Froude, que representa la relación entre las fuerzas
inerciales y gravitatorias:
F = Fuerzas Inerciales = U U = velocidad del flujo
Fuerzas gravitatorias gL L = profundidad
g = aceleración gravedad
Para flujos turbulentos la profundidad (L) es inversamente
proporcional a la velocidad (U); en flujos laminares ambas son
proporcionales.
TiposTipos de de FlujosFlujos FluFluíídosdos
�� FlujoFlujo laminar laminar –– el el flujoflujo persistepersiste comocomo un un movimientomovimientounidireccionalunidireccional�� MoleculasMoleculas fluyenfluyen paralelamenteparalelamente
�� MovimientoMovimiento haciahacia arribaarriba y y haciahacia abajoabajo porpor difusidifusióónn
�� Flujo turbulentoFlujo turbulento–– flujoflujo altamentealtamente distorcionadodistorcionado�� FlujosFlujos perpendicularesperpendiculares a la a la direccidireccióónn principal del principal del movimientomovimiento
�� TransferenciaTransferencia de de movimientomovimiento haciahacia arribaarriba y y abajoabajo porporprocesosprocesos de de macroescalamacroescala
�� TurbulenciaTurbulencia = = componentecomponente irregular y irregular y aleatorioaleatorio del del movimientomovimiento del del flufluíídodo
�� RemolinosRemolinos = = parteparte del del flufluíídodo altamentealtamente turbulentoturbulento
FlujoFlujo Laminar Laminar vsvs TurbulentoTurbulento
�� FlujoFlujo Laminar Laminar –– velocidadvelocidad constanteconstante en un en un puntopunto a a
travtravééss del del tiempotiempo
�� Turbulencia Turbulencia
�� MayoriaMayoria de de loslos flujosflujos = = turbulentosturbulentos
�� LentaLenta velocidadvelocidad de de decantacidecantacióónn –– movimientosmovimientos haciahacia arribaarriba
de la de la molmolééculasculas de de aguaagua
�� IncrementoIncremento en la en la capacidadcapacidad del del flufluíídodo parapara erodarerodar y y capturarcapturar
partpartíículasculas del del lecholecho peropero menosmenos eficienteeficiente en en transportarlastransportarlas
�� La La velocidadvelocidad medidamedida en un en un puntopunto varvarííaa de un de un momentomomento a a
otrootro peropero tiendetiende a un valor a un valor promediopromedio a lo largo del a lo largo del tiempotiempo
NNúúmeromero de Reynoldsde Reynolds
�� Balance Balance entreentre fuerzasfuerzas inercialesinerciales ((queque causancausan turbulenciaturbulencia) ) y y viscosasviscosas ((suprimensuprimen turbulenciaturbulencia))
�� FlujoFlujo Laminar:Laminar: Re < 1000 Re < 1000 –– dominadomina viscosidadviscosidad; ; pocapocaprofundidadprofundidad o o bajabaja velocidadvelocidad
�� FlujoFlujo TurbulentoTurbulento:: Re >1000 Re >1000 –– dominadomina inerciainercia; ; flujoflujo profundoprofundo o o rráápidopido
Re = URρ/µ = UR/ν
U = velocidad media del flujo ρ = densidad
R = radio hidráulico (A/P) µ = viscosidad
ν = viscosidad cinemática (µ/ρ)
NNúúmeromero de de FroudeFroude
�� Fr < 1Fr < 1 TranquiloTranquilo, , SubcrSubcrííticotico
�� VelocidadVelocidad de la de la ondaonda > > velocidadvelocidad del del flujoflujo
�� Fr > 1Fr > 1 RRáápidopido, , SupercrSupercrííticotico
�� OndasOndas no no puedenpueden propagarsepropagarse corrientecorriente arribaarriba
�� Fr Fr tienetiene relacirelacióónn con el con el rréégimengimen de de flujo flujo
�� Define Define formasformas de de lecholecho caractercaracteríísticassticas queque se se
desarrollandesarrollan porpor un un flujoflujo sobresobre un un lecholecho granulargranular
NNúúmeromero de de FroudeFroude
�� RelaciRelacióónn entreentre fuerzasfuerzas inercialesinerciales y y gravitacionalesgravitacionales
�� GravedadGravedad influenciainfluencia el el modomodo en en queque el el flufluíídodo trasmitetrasmiteondasondas superficialessuperficiales
�� Valor Valor adimensionaladimensional ((igualigual queque Re)Re)
r
UF
gL=
rF = Número de Froude
gL=
= velocidad del movimiento
de la onda superficial
U=
= velocidad media
g = aceleración de la gravedad
L = profundidad del agua
EfectosEfectos dede capa lcapa líímitemite:: Cuando unaCuando una corrientecorriente fluyefluye a a
lo largo de lo largo de laslas paredesparedes de un canal o de un canal o sobresobre el el lecholecho eses
afectadaafectada porpor loslos esfuerzosesfuerzos retardantesretardantes ((rozamientorozamiento) )
producidosproducidos porpor la la superficiesuperficie limitantelimitante. La . La capacapa en en
contactocontacto con la con la superficiesuperficie rríígidagida se se denominadenomina capacapa
llíímitemite..
PerfilesPerfiles de de velocidadvelocidad y y rugosidadrugosidad del del
lecholecho
�� En En flujosflujos turbulentosturbulentos –– hay hay flujosflujos laminar/laminar/casicasi laminar laminar
ssóólolo cercacerca del del lecholecho
�� LechosLechos suavessuaves –– fuerzasfuerzas molecularesmoleculares viscosasviscosas dominandominan en en
llááminasminas delgadasdelgadas cercacerca del del lecholecho
�� SubcapasSubcapas viscosasviscosas / / subcapassubcapas laminareslaminares
�� LechosLechos RugososRugosos//Irregulares Irregulares
�� GravasGravas o arena o arena gruesagruesa
�� SubcapasSubcapas viscosasviscosas destrudestruíídasdas porpor laslas partpartíículasculas del del lecholecho
�� ObstObstááculosculos generangeneran remolinosremolinos en la en la interfaseinterfase
�� PresenciaPresencia//ausenciaausencia de de subcapassubcapas laminareslaminares –– factoresfactores
importantesimportantes en el en el inicioinicio del del movimientomovimiento de de laslas partpartíículasculas
FlujosFlujos y y transportetransporte de de sedimentossedimentos
�� La La habilidadhabilidad de un de un rrííoo de de erosionarerosionar y y transportartransportar
sedimentossedimentos representarepresenta un balance un balance entreentre fuerzasfuerzas y y
resistenciasresistencias
�� Las Las ecuacionesecuaciones queque involucraninvolucran fuerzasfuerzas
((esfuerzosesfuerzos) y ) y resistenciasresistencias son el son el nnúúcleocleo del del
transportetransporte porpor flujosflujos flufluíídosdos
FlujosFlujos y y transportetransporte de de sedimentossedimentos
�� RelacionesRelaciones de de conservaciconservacióónn
�� MasaMasa ((continuidadcontinuidad del del flufluíídodo))
�� MomentoMomento (2(2ndnd LeyLey de Newton de Newton –– F=M*A)F=M*A)
�� EnergEnergííaa (1(1rara LeyLey de la de la TermodinTermodináámicamica))
�� RelacionesRelaciones constitutivasconstitutivas
�� ResistenciaResistencia ((EcuaciEcuacióónn de Manning)de Manning)
�� TransporteTransporte de de sedimentossedimentos ((HjulstromHjulstrom, , BagnoldBagnold))
EsfuerzoEsfuerzo ((cizallacizalla) ) llíímitemite
�� CuandoCuando un un flujoflujo fluyefluye sobresobre unauna capacapa debedebe vencervenceresfuerzosesfuerzos queque se se oponenoponen a a eseese movimientomovimiento existentesexistentesen la en la superficiesuperficie de la de la capacapa ((rozamientorozamiento))
�� FuerzaFuerza//unidadunidad de de áárearea paralelaparalela al al lecho lecho
�� ExtremadamenteExtremadamente importanteimportante en en determinardeterminar erosierosióónn y y transportetransporte de de sedimentossedimentos en el en el lecholecho
�� F (F (densidaddensidad de de fluidofluido, , inclinaciinclinacióónn de la de la capacapa, , profundidadprofundidad del del aguaagua, , velocidadvelocidad del del flujoflujo))
�� El El esfuerzoesfuerzo en el en el limitelimite de de capacapa aumentaaumenta con el con el aumentoaumento de la de la velocidadvelocidad aunqueaunque de de maneramanera complejacompleja(no lineal)(no lineal)
CizallaCizalla llíímitemite
�� DeterminadaDeterminada porpor la la fuerzafuerza queque ejerceejerce el el flujoflujo sobresobre el el lecholecho y y relacionadarelacionada con la con la velocidadvelocidad del del flujoflujo--determinadetermina erosierosióónn y y transportetransporte de de sedimentossedimentos en la en la capacapa inmediatamenteinmediatamente debajodebajo del del flujoflujo
�� Se Se incrementaincrementa directamentedirectamente con:con:�� ↑↑ densidaddensidad del del flufluíídodo
�� ↑↑ profundidadprofundidad y y didiáámetrometro del canaldel canal
�� ↑↑ pendientependiente del canaldel canal
�� Mayor Mayor capacidadcapacidad parapara erosionarerosionar y y transportartransportar sedimentosedimento�� AguarAguar vsvs aireaire
�� Canales Canales mayoresmayores vsvs menoresmenores
�� Mayor Mayor gradientegradiente vsvs menormenor gradientegradiente
ErosiErosióónn y y cargacarga de de lecholecho
La La facilidadfacilidad con la con la queque unauna corrientecorriente erosionaerosiona el el sustratosustrato y y porpor lo lo tantotanto pone pone
en en movimientomovimiento a a laslas partpartíículasculas del del lecholecho eses influenciadainfluenciada porpor su cohesisu cohesióónn. .
La La cohesicohesióónn del del sustratosustrato eses controladacontrolada principalmenteprincipalmente porpor el el contenidocontenido de de
arcillasarcillas y y porpor la la friccifriccióónn queque se se relacionarelaciona con con loslos contactoscontactos entreentre granosgranos. .
RelaciRelacióónn entreentre cargacarga de de lecholecho y y velocidadvelocidad de la de la
corrientecorriente