Flujo viscoso incompresible externo
Introducción
Bienvenidos a la penúltima clase del curso de Mecánica de Fluidos. En esta clase nos enfocaremos en un fluido real incompresible que envuelve a un objeto de estudio. Este tipo de sistemas está presente en gran parte de las aplicaciones ingenieriles ya que, sobre la superficie de la Tierra, todos los objetos están inmersos en un “piscina” delimitada por la atmósfera, siendo el aire un fluido dentro del mismo. En esta clase ahondaremos en el impacto que el fluido tiene en un factor denominado coeficiente de arrastre, además de ligar estos conceptos con la definición de capa límite. Sin más, comencemos.
Desarrollo del tema
En esta unidad consideramos de igual forma este parámetro de Reynolds adimensional, pero ahora presente en fluidos que envuelven a un objeto, esto es, fluidos externos. El número de Reynolds está dado como función de la longitud del sistema, permitiendo con ello definir las características del fluido, esto es, si está en un régimen laminar (Re < 3×106), un régimen de transición (3×106 < Re < 5×106), o un régimen turbulento (Re > 5×106). Así, y de forma similar al flujo interno.
Como resultado, este movimiento del fluido genera la formación de la capa límite hidrodinámica, en la cual se puede determinar su espesor a través de la solución de las ecuaciones de Navier-Stokes y continuidad, teniendo para el caso de placa plana:
Como lo mencionamos previamente, el Re es directamente dependiente de la longitud del sistema que se encuentra inmerso en el fluido, por lo cual, de acuerdo con la ecuación, el espesor de la capa límite es inversamente proporcional a esta longitud característica; así, se infiere que a medida que la longitud del sistema aumente, menor es el espesor de la capa límite; sin embargo, esto no es del todo correcto. Te invito a ver los siguientes videos para aclarar estos conceptos de capa límite.
Como se mencionó en la clase anterior, el objetivo de este estudio en la Mecánica de Fluidos es determinar las pérdidas de energía que se generan en el proceso. Para el caso de flujo externo, se tienen un parámetro principales que definen estas pérdidas denominado el Coeficiente de Arrastre (CD). Para el caso de placa plana, estos coeficientes están dados como:
A partir de estos coeficientes se puede determinar la fuerzas de arrastre que presentan los objetos sumergidos dentro del medio en movimiento. Estas fuerzas están definidas como:
La fuerza que se genera por el movimiento del fluido sobre la superficie normal del objeto a la dirección de movimiento del fluido que, para el caso de un vehículo, es la fuerza que debe de romper éste a fin de desplazarse a la velocidad deseada.
Por favor revisa el material expresado en el Capítulo 7 del Fluid Mechanics, F.M. White, paginas 427 a la 476 (Clase 7.pdf) para una mejor comprensión de todos estos principios.
Conclusión
En esta clase revisamos los conceptos claves que gobiernan a un objeto sumergido en un medio que se mueve a una velocidad relativa. La generación de capa límite y el régimen en el que opera está en función del número de Reynolds. En este campo de la Mecánica de Fluidos, el determinar el coeficiente de arrastre que genera el fluido al pasar alrededor del objeto es primordial a fin de determinar las fuerzas que éste generará sobre el objeto.
La aplicación de estas ecuaciones ha permitido el desarrollo tecnológico principalmente en el área de transportes. Te pido por favor que realices las consignas asignadas y nos vemos el la última clase de este curso.