“AÑO DE LA PROMOCIÓN DE LA INDUSTRIA RESPONSABLE Y DEL COMPROMISO

CLIMÁTICO”

UNIVERSIDAD PRIVADA DE HUÁNUCOFACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

VISCOSIDAD Y TURBULENCIA

CURSO : FISICAII

DOCENTE : CARLOS ENRIQUE QUICHE SURICHAQUI

ALUMNOS : RODRIGUEZ SIFUENTES RAFAEL

IDROGO GUERRA JUDITH

BARBARAN SANCHEZ ELIZABETH

JAIMES PADILLA ISABETH

PELAES RIOS LUIS FERNANDO

CICLO : III

TINGO MARÍA – PERÚ

2014

INTRODUCCIÓN

La viscosidad es la propiedad más importante de los fluidos, y por tanto esta

requiere la mayor consideración en el estudio del flujo de fluidos. Esta es la

resistencia que ejercen los fluidos al ser deformado cuando este se aplica un

mínimo de esfuerzo cortante. La viscosidad de un fluido depende de su

temperatura. Es por eso que en los líquidos a mayor temperatura la viscosidad

disminuye mientras que en los gases sucede todo lo contrario. Existen diferentes

formas de expresar la viscosidad de un fluido, pero las más importantes son las

siguientes: viscosidad absoluta o dinámica, cinemática. Los líquidos y los gases

corresponden a dos tipos diferentes de fluidos. La viscosidad es la resistencia que

presentan las capas de los líquidos para deslizarse unas sobre otras.

La turbulencia o flujo turbulento es un régimen de flujo caracterizado por baja

difusión de momento, alta convección y cambios espacio-temporales rápidos

de presión y velocidad. Los flujos no turbulentos son también llamados flujos

laminares. Un flujo se puede caracterizar como laminar o turbulento observando el

orden de magnitud del número de Reynolds.

VISCOSIDAD Y TURBULACION

VISCOSIDAD:

Viscosidad de un fluido es la resistencia de un fluido a una fuerza cortante. Propiedad que se debe fundamentalmente al tipo de interacción entre las moléculas del fluido. Para poder definirla, debemos considerar el estudio de la ley de Newton de la viscosidad. Consideremos dos placas paralelas muy grandes como se muestra en la figura, el espacio entre las placas está lleno con un fluidoEs una característica de los fluidos en movimiento, que muestra una tendencia de oposición hacia su flujo ante la aplicación de una fuerza. Cuanta más resistencia oponen los líquidos a fluir, más viscosidad poseen. Los líquidos, a diferencia de los sólidos, se caracterizan por fluir, lo que significa que al ser sometidos a una fuerza, sus moléculas se desplazan, tanto más rápidamente.

CLASIFICACION DE LA VISCOCIDAD

VISCOSIDAD CINEMATICA: Es la razón de viscosidad a densidad de masa. En el sistema internacional (SI) la unidad de viscosidad cinemática es el metro cuadrado por segundo (m2/s). La unidad CGS correspondiente es el stoke (St), con dimensiones de centímetro cuadrado por segundo y el centistoke (cSt), 10-2 stokes, que es el submúltiplo más utilizado.

1m2/s = 106 cSt 1cSt = 10-6 m2/s

Viscosidad Absoluta (η):Si imaginamos que un fluido está formado por delgadas capas unas sobre otras, la viscosidad absolutaserá el grado de rozamiento interno entre las capas de ese fluido. A causa de la viscosidad, será

necesario ejercer una fuerza para obligar a una capa de fluido a deslizar sobre otra, tal como muestra la

VISCOCIDAD ABSOLUTA: Es la fuerza tangencial por unidad de área, de los planos paralelos por una unidad de distancia, cuando el espacio que los separa esta lleno con un fluido y uno de los planos se traslada con velocidad unidad en su propio plano con respecto al otro también denominado viscosidad dinámica; coeficiente de viscosidad

La unidad de viscosidad dinámica en el sistema internacional (SI) es el pascal segundo (Pa.s) o también newton segundo por metro cuadrado (N.s/m2), o sea kilogramo por metro segundo (kg/ms): Esta unidad se conoce también con el nombre de poiseuille(Pl) en Francia, pero debe tenerse en cuenta que no es la misma que el poise (P) descrita a continuación:

El poise es la unidad correspondiente en el sistema CGS de unidades y tiene dimensiones de dina segundo por centímetro cuadrado o de gramos por centímetro cuadrado. El submúltiplo el centipoise (cP), 10-2 poises, es la unidad más utilizada para expresar la viscosidad dinámica dado que la mayoría de los fluidos poseen baja viscosidad. La relación entre el pascal segundo y el centipoise es:

1Pa.s = 1 N.s/m2 = 1 kg/(m.s) = 103 cP 1cP = 10-3 Pa.s Viscosidad Absoluta (η):Si imaginamos que un fluido está formado por delgadas capas unas sobre otras, la viscosidad absolutaserá el grado de rozamiento interno entre las capas de ese fluido. A causa de la viscosidad, será

VISCOSIDAD DE ACEITES: Los aceites presentan notables diferencias en su grado de viscosidad o fluidez, influyendo mucho estas diferencias en algunas de sus aplicaciones. El grado de viscosidad de los aceites tiene importancia en los aceites destinados a arder y los utilizados como lubricantes. En los primeros influye la viscosidad de modo que los aceites fluidos ascienden fácilmente por capilaridad en las mechas de las lámparas, mientras que los muy viscoso o poco fluidos requieren disposiciones especiales para conseguir que llegue a la llama en la unidad de tiempo suficiente cantidad de combustible. Cuando se emplea aceites como lubricantes, la materia grasa debe tener consistencia apropiada para impedir el contacto inmediato de las superficies que frotan entre sí impidiendo con ello se desgaste; para lograr esto conviene que la materia grasa no sea demasiado fluida ni tampoco demasiado viscosa.

VISCOSIDAD DE LOS LÍQUIDOS: La viscosidad de los gases a bajas presiones se puede estimar a través de técnicas basadas en la teoría del sonido, pero no hay base de comparación teórica para los líquidos. Ciertamente la viscosidad de los líquidos es muy diferente a la viscosidad de los gases; esto es, son mucho más grandes, y estás decrecen rápidamente al aumentar la temperatura. El fenómeno de viscosidad de gases de bajas presiones se debe principalmente a la transferencia de momento por colisiones individuales moviéndose al azar entre capas con diferentes velocidades. Una transferencia de momento similar puede existir en los líquidos, aunque es usualmente eclipsado por la interacción de los campos de fuerza entre las moléculas líquidas empaquetadas.

En general, las teorías predominantes sobre la viscosidad de los líquidos se pueden dividir arbitrariamente en aquellas en aquellas que basadas en líquidos con comportamiento de gases y aquellos basados en líquidos con comportamiento de sólidos. En la primera, el líquido es considerado ordenado en un rango corto y desordenado en un rango largo

La Ley de la viscosidad de Newton:

Afirma que dada una rapidez dedeformación angular en el fluido, el esfuerzo cortante es directamenteproporcional a la viscosidad. La resistencia de un fluido al corte depende de su cohesión y de su rapidez de latransferencia de la cantidad del movimiento molecular. Un liquido, cuyasmoléculas dejan espacios entre ellas mucho más cerradas que las de un gas, tienen fuerzas cohesivas mucho mayor que un gas. La cohesión parece ser la causa predominante de la viscosidad en un líquido; y ya que la cohesión decrecion la temperatura, la viscosidad decrece también.

EL ISTRUMENTO USADO PARA MEDIR LA VISCOCIDAD ES EL:

Un viscómetro (denominado también viscosímetro) es un instrumento empleado para medir la viscosidad y algunos otros parámetros de flujo de un fluido. Fue Isaac Newton el primero en sugerir una fórmula para medir la viscosidad de los fluidos, postuló que dicha fuerza correspondía al producto del área superficial del líquido por el gradiente de velocidad, además de producto de

un coeficiente de viscosidad. En 1884 Poiseuille mejoró la técnica estudiando el movimiento de líquidos en tuberías

Las pipetas de cristal pueden llegar a tener una reproducibilidad de un 0,1% bajo condiciones ideales, lo que significa que puede sumergirse en un baño no diseñado inicialmente para la medida de la viscosidad, con altos contenidos de sólidos, o muy viscosos. No obstante, es imposible emplearlos con precisión en la determinación de la viscosidad de los fluidos no-newtonianos, lo cual es un problema ya que la mayoría de los líquidos interesantes tienden a comportarse como fluidos no-newtonianos. Hay métodos estándares internacionales para realizar medidas con un instrumento capilar, tales como el ASTM D445.

EJEMPLOS

TURBULENCIA

Los movimientos turbulentos son muy comunes, tanto en la naturaleza flujos atmosféricos, ríos, como en diferentes aplicaciones de interés tecnológico flujos en conductos, turbo maquinaria, calderas, cámaras de combustión, equipos de intercambio de calor, aerodinámica de vehículos, hasta el punto de que la mayor parte de los flujos de interés tecnológico son turbulentos. La turbulencia modifica significativamente parámetros tales como la resistencia a la fricción, la transmisión de calor o la capacidad de mezcla, es necesario su comprensión y su caracterización.

No existe una teoría completa del fenómeno ni parece que por el momento se vaya a establecer. De todas formas, durante la segunda mitad del siglo XX se ha llegado a caracterizar el movimiento turbulento mediante el uso de diversos métodos: visualización de flujos, desarrollo de instrumentación adecuada y resolución numérica de las ecuaciones de constitución. Con el uso combinado de estos métodos se han llegado a perfeccionar modelos parciales que permiten abordar flujos turbulentos, incluso en geometrías complejas.

El principal objetivo de este tema es la descripción del fenómeno de la turbulencia, su efecto en los flujos y su modelado. Finalmente, se describirán brevemente dos técnicas de medida que permiten caracterizar la turbulencia.

CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS FLUJOS TURBULENTOS

Aunque no sea fácil definir exactamente la turbulencia, existe una noción intuitiva de lo que es, y se podría describir como un movimiento fluctuante y desordenado, siendo más fácil distinguirlo de un movimiento laminar (el término ‘turbulento’ forma parte del lenguaje cotidiano, asociado a desorden):

-humo de un cigarrillo

-chorro de un grifo

-vuelo en un avión

-estelas de objetos sumergidos

Definición de flujo turbulento: ante la dificultad de una definición precisa de la turbulencia, se opta por la enumeración de las propiedades más destacables de los movimientos turbulentos. Hay que tener en cuenta que la turbulencia no es una propiedad del fluido, sino del flujo.

TIPOS DE TURBULENCIA

TURBULENCIA CONVECTIVA:

Una forma de turbulencia comúnmente encontrada, es la asociada con los movimientos verticales del aire tanto en el interior como por debajo de las nubes de origen convectivo tales como Cu y Cb. Las corrientes verticales que dan origen a esas nubes y a la turbulencia, son causadas por el calentamiento del aire cerca de la superficie terrestre y por lo tanto son más frecuentes a mitad de la tarde de los días calurosos del verano, cuando el viento es débil.

Por la naturaleza misma del terreno, este no se calienta unifórmente sino que hay porciones en las que el calentamiento es superior al que se registra en el terreno que la circunda.

CARACTERÍSTICAS

La turbulencia es muy caracteriza por los siguientes rasgos:

•Irregularidad: flujos turbulentos son siempre muy irregular. Esto es por qué los problemas de turbulencia siempre se tratan estadísticamente y no determinista. El flujo turbulento es siempre caótico pero no todos los flujos caóticos son turbulento.

•Difusividad: El suministro de energía fácilmente disponible en flujos turbulentos tiende a acelerar la homogeneización de mezclas de fluidos. La característica que es responsable de las tasas de mezcla y el aumento mejoradas de masa, momento y energía en un flujo de transporte se llama "difusividad".

•Rotationality: los flujos turbulentos tienen vorticidad distinto de cero y se caracterizan por un mecanismo de generación de vórtice tridimensional fuerte conocido como vórtice estiramiento. En dinámica de fluidos, que son esencialmente vórtices sometidos a estiramiento asociado con un aumento correspondiente del componente de la vorticidad en la dirección de estiramiento-debido a la conservación del momento angular. Por otro lado, vórtice estiramiento es el mecanismo de núcleo sobre el que la cascada de energía de la turbulencia se basa para establecer la función de estructura. En general, el mecanismo de estiramiento implica adelgazamiento de los vórtices en la dirección perpendicular a la dirección de estiramiento debido a la conservación del volumen de los elementos del fluido. Como resultado, la escala de longitud radial de los vórtices disminuye y las estructuras de flujo más grandes se descomponen en estructuras más pequeñas. El proceso continúa hasta que las estructuras a pequeña escala son lo suficientemente pequeños en la medida en que su energía cinética es abrumado por la viscosidad molecular del fluido y se disipa en calor. Esta es la razón por la turbulencia es siempre de rotación y tres dimensiones. Por ejemplo, los ciclones son atmosféricas de rotación pero sus formas sustancialmente de dos dimensiones no permiten la generación de vórtice y por lo tanto no son turbulentos. Por otro lado, los flujos oceánicos son dispersivas, pero esencialmente no rotación y por lo tanto no son turbulentos.

•Disipación: Para mantener el flujo turbulento, se requiere una fuente persistente de suministro de energía debido a la turbulencia se disipa rápidamente a medida que la energía cinética se convierte en energía interna por el estrés de cizallamiento viscoso.

•Energía en cascada: El flujo turbulento se puede realizar como una superposición de un espectro de fluctuaciones de la velocidad y remolinos sobre un flujo medio. Los remolinos se definen en términos generales como patrones coherentes de velocidad, vorticidad y la presión. Flujos turbulentos pueden ser vistos como hecha de una jerarquía completa de los remolinos más de una amplia gama de escalas de longitud y la jerarquía puede ser descrita por el espectro de energía que mide la energía en fluctuaciones de la velocidad para cada número de onda. Las escalas de la cascada de la energía son generalmente incontrolables y altamente no simétrica. Sin embargo, sobre la base de estas escalas de longitud estos remolinos se pueden dividir en tres categorías.

•Escalas de longitud integral: las escalas más grandes en el espectro de energía. Estos remolinos obtener energía a partir de la media de flujo y también el uno del otro. Por lo tanto estos son los remolinos de producción de energía que contienen la mayoría de la energía. Tienen la gran fluctuación de velocidad y son bajos en frecuencia. Escalas integrales son altamente anisotrópico y se definen en términos de las correlaciones de velocidad de dos puntos normalizados. La longitud máxima de estas escalas se ve limitada por la longitud característica del aparato. Por ejemplo, la mayor escala de longitud integral de flujo de la tubería es igual al diámetro de la tubería. En el caso de la turbulencia atmosférica, esta longitud puede alcanzar hasta el orden de varios cientos de kilómetros.

•Escalas de longitud Kolmogorov: escalas más pequeñas en el espectro que forman la gama de sub-capa viscosa. En este rango, la entrada de energía a partir de las interacciones no lineales y la fuga de energía a partir de la disipación viscosa se encuentran en equilibrio exacto. Las pequeñas escamas son de alta frecuencia por lo que la turbulencia es localmente isotrópico y homogéneo.

•Taylor microescalas: Las escalas intermedias entre la mayor y las escalas más pequeñas que hacen que el subrango inercial. Taylor micro escalas no son escala de disipación, pero pasa por la energía de la más grande a la más pequeña y sin disipación. Algunas literaturas no consideran Taylor micro escalas como la escala de longitud característica y consideran la cascada de energía contiene sólo las escalas mayores y menores, mientras que el segundo acomodar el sub-gama inercial y la capa viscosa-sub. Sin embargo, Taylor micro-escalas se utiliza a menudo para describir el término "turbulencia" más convenientemente como estos Taylor micro-escalas juegan un papel dominante en la energía y la transferencia de momento en el espacio de número de onda.

EJEMPLOS

FLUJO TURBULENTO

CARACTERÍSTICAS Y DESARROLLO

En el flujo turbulento las partículas se mueven en trayectorias irregulares, que no son suaves ni fijas. El flujo es turbulento si las fuerzas viscosas son débiles en relación con las fuerzas inerciales.

La turbulencia según la definición de Taylor y von Kármán, puede producirse por el paso del fluido sobre superficies de frontera, o por el flujo de capas de fluido, a diferentes velocidades que se mueven una encima de la otra.

Tipos de turbulencia :

* Turbulencia de pared : generada por efectos viscosos debida a la existencia de paredes.

* Turbulencia libre : producida en la ausencia de pared y generada por el movimiento de capas de fluido a diferentes velocidades.

Diferentes teorías han tratado de explicar el origen y la estructura de la turbulencia. Algunas explican que la turbulencia es debida a la formación de vórtices en la capa límite, como consecuencia de los disturbios que se generan por discontinuidades bruscas existentes en la pared ; mientras que otras teorías atribuyen la turbulencia a la influencia del esfuerzo cortante, cuando se presenta un gradiente de velocidades con discontinuidades bruscas. Sin embargo a pesar de las múltiples investigaciones, los resultados obtenidos sobre el desarrollo de la turbulencia no son totalmente satisfactorios, ya que solo pueden estudiarse experimental y teóricamente como un fenómeno estadístico.

Número de Reynolds

El régimen de flujo depende de tres parámetros físicos que describen las condiciones del flujo. El primer parámetro es una escala de longitud del campo de flujo, como el espesor de una capa límite o el diámetro de una tubería. Si dicha escala de longitud es lo bastantemente grande, una perturbación del flujo podría aumentar y el flujo podría volverse turbulento. El segundo parámetro es una escala de velocidad tal como un promedio espacial de la velocidad ; si la velocidad es lo bastante grande el flujo podría ser turbulento. El tercer parámetro es la viscosidad cinemática ; si la viscosidad es lo bastante pequeña, el flujo puede ser turbulento.

Estos tres parámetros se combinan en un solo parámetro conocido como el número de Reynolds ( R ) , con el cual se puede predecir el régimen de flujo, si R > 4000 el flujo será turbulento.

Cuando el flujo entra en régimen turbulento, se puede presentar el caso de que el conducto sea liso o el caso de que el conducto sea rugoso.

Tubos lisos :

Se presentan tres subcapas :

· Subcapa viscosa : el movimiento es primariamente viscoso, aunque no es estrictamente laminar y la velocidad varía linealmente. Esta subcapa es muy difícil de observar bajo condiciones experimentales. Sin embargo su importancia es decisiva para la determinación de las fuerzas de arrastre.

· Capa de transición : el flujo es turbulento, pero la viscosidad todavía ejerce su influencia.

· Zona de turbulencia : se aplica la teoría de longitud de mezcla de Prandtl, asumiendo que el flujo turbulento en una tubería está fuertemente influenciado por el fenómeno del flujo cercano a la pared.

Factor de fricción para tubos lisos : donde los efectos de viscosidad predominan y el factor de fricción depende únicamente del número de Reynolds.

Tubos rugosos :

Se presentan dos casos, según que el tamaño de la rugosidad sea o no mayor que el espesor de las subcapas viscosas y de transición.

Factor de fricción para tubos rugosos :

¨ Si el tamaño de la rugosidad es mayor que el espesor de las subcapas viscosa y de transición : la viscosidad no tendrá ningún efecto apreciable sobre el factor de fricción , y este solo dependerá de la rugosidad relativa.

¨ Si el tamaño de la rugosidad es menor que el espesor de las subcapas viscosa y de transición : se presenta el régimen de transición entre el movimiento turbulento liso y turbulento rugoso, donde el factor de fricción depende del número de Reynolds y de la rugosidad relativa.

TURBULENCIA ATMOSFÉRICA

La turbulencia atmosférica puede considerarse como la fluctuación al azar sobrepuesta a los valores medios de una magnitud termodinámica medida en la atmósfera, como se puede apreciar en la primera figura.

Existen varias teorías sobre el origen de la turbulencia, aunque las más aceptada es la teoría de la estabilidad de los flujos laminares. El movimiento de un fluido puede satisfacer todas las ecuaciones del movimiento y, sin embargo, ser inestable, es decir, que las características del flujo experimentan cambios irreversibles cuando se introduce una perturbación. Un flujo laminar puede pasar a turbulento como se indica en la segunda figura. Estas capas paralelas y uniformes de un fluido (sin fricción mutua) se mueven a diferentes velocidades (a). Si se introduce una perturbación en la zona de contacto (b), la presión en el punto a ( Pa ) aumenta al disminuir la velocidad en este punto, mientras que la presión en el punto b ( Pb ) disminuye al acelerarse el fluido en el punto b. El resultado es que la diferencia de presiones produce una fuerza neta que

empuja al fluido en la zona de contacto hacia el punto b. Esto acentúa aún más la perturbación de la zona de contacto, se inicia la formación de torbellinos y la perturbación se termina propagando a todo el fluido dando lugar a la creación de un flujo turbulento. La turbulencia de un fluido puede visualizarse como un conjunto de torbellinos de diferente escala que se superponen al flujo medio. Los torbellinos de mayor escala se fraccionan en torbellinos de menor escala, en un proceso en el que existe transferencia de energía y que finalmente termina en choques moleculares.

DISPERSIÓN TURBULENTA

La turbulencia es la causa que determina la dispersión de contaminantes en la atmósfera.

Si consideramos una bolsa de contaminación emitida a la atmósfera el efecto de la turbulencia se manifiesta así : los torbellinos o fluctuaciones turbulentas de escala más grandes que la bolsa de contaminación la empujan, trasladan o sacuden al azar. Los torbellinos de escala similar a la bolsa la estiran, la deforman y terminan por fraccionarla en bolsas irregulares más pequeñas; éstas a su vez caen bajo la acción de los torbellinos de escala más pequeña que las fraccionan y así sucesivamente, hasta que la acción de la difusión molecular terminan el proceso. El efecto final es la dispersión de la contaminación inicialmente concentrada en la bolsa.

Los resultados de estos modelos físicos de la turbulencia ponen en evidencia que el grado de estabilidad de la atmósfera es el condicionante básico de la forma de dispersión.

En la figura se puede observar que para el penacho de contaminación de una chimenea existen tres formas de dispersión de la contaminación :

Si el perfil térmico de la atmósfera es estable el penacho de contaminación dispersa lentamente en forma "tubular".

Si el perfil térmico es neutro el penacho dispersa en forma "cónica".

Si el perfil térmico es inestable el penacho dispersa en forma "serpenteante".

CONCLUCION

El flujo turbulento es mas comúnmente desarrollado debido a que la naturaleza tiene tendencia hacia el desorden y esto en términos de flujos significa tendencia hacia la turbulencia. Este tipo de flujo se caracteriza por trayectorias circulares erráticas, semejantes a remolinos. El flujo turbulento ocurre cuando las velocidades de flujo son generalmente muy altas o en fluidos en los que las fuerzas viscosas son muy pequeñas.

La turbulencia puede originarse por la presencia de paredes en contacto con el fluido o por la existencia de capas que se muevan a diferentes velocidades. Además, un flujo turbulento puede desarrollarse bien sea en un conducto liso o en un conducto rugoso.

También se presenta como tema de aplicación la turbulencia atmosférica y la dispersión de contaminantes.