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FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

INFORME Clases de fluidos

Alumno: Chuque Campos Irvin Jhonatan

Asesor:

Salazar Ordinola Francisco Solano

Chiclayo - Perú (2017)

CLASES DE FLUIDOS FLUIDOS NEWTONIANOS: Un fluido newtoniano es un fluido cuya viscosidad puede considerarse constante en el tiempo. Los fluidos newtonianos son uno de los fluidos más sencillos de describir. La curva que muestra la relación entre el esfuerzo o cizalla contra su velocidad de deformación es lineal. El mejor ejemplo de este tipo de fluidos es el agua en contraposición al pegamento, los geles y sangre que son ejemplos de fluido no newtoniano .Un buen número de fluidos comunes se comportan como fluidos newtonianos ECUACION CONSTITUTIVA: Matemáticamente, el rozamiento en un flujo unidimensional de un fluido newtoniano se puede representar por la relación diciones normales de presión y temperatura: el aire, el agua, la gasolina, el vino y algunos aceites minerales.

FLUIDOS NO NEWTONIANOS: De acuerdo con la ley de la viscosidad de Newton, al representar gráficamente el tensor de esfuerzo cortante para un fluido determinado, debe de obtenerse una línea recta que pasa por el origen de coordenadas, y cuya pendiente es la viscosidad del fluido a una cierta temperatura y presión. En efecto, la experiencia demuestra que para todos los gases y líquidos homogéneos no polimerizados 𝜏 es directamente proporcional a −(𝑑𝑣𝑥⁄𝑑𝑦). Sin embargo, existen algunos materiales industrialmente importantes que no se comportan de acuerdo con dicha ley. Se conoce a estas sustancias con el nombre de fluidos no-newtonianos. El tema del flujo no-newtoniano constituye actualmente una parte de otra ciencia más amplia que es la reología, es decir, “la ciencia del flujo y la deformación”, que estudia las propiedades mecánicas de los gases, líquidos, plásticos, sustancias asfálticas y materiales cristalinos. Por lo tanto, el campo de la reología se extiende, desde la mecánica de fluidos newtonianos por una parte, hasta la elasticidad de Hooke por otra. La región comprendida entre ellas corresponde a la deformación y flujo de todos los tipos de materiales pastosos y suspensiones.

Una primera clasificación de los fluidos no-newtonianos los divide en tres categorías:

1.- COMPORTAMIENTO INDEPENDIENTE DEL TIEMPO: El esfuerzo de corte solo depende de la velocidad de corte.

Resumen de modelos no-newtonianos en estado estacionario (con fines comparativos se indica también el modelo newtoniano).

Comportamiento reológico de diversos materiales: (a) esfuerzo en función de la velocidad de deformación; (b) efecto del tiempo sobre los esfuerzos aplicados.

TIPO DE FLUIDO

CARACTERISTICAS

Plástico ideal o de Bingham.

Permanece rígido mientras el esfuerzo cortante es menor de un determinado valor 𝜏0, por encima del cual se comporta de forma semejante a un fluido newtoniano.

ECUACION CONSTITUTIVA

EJEMPLOS

Modelo de Bingham 𝜏 = 𝜏𝑦 + 𝜇𝑝 ∙ 𝛾̇ 𝜏𝑦 = 𝑃𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑒𝑑𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎, 𝑙𝑏𝑓 /100 𝑓𝑡2 𝜇𝑝 = 𝑉𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑃𝑙á𝑠𝑡𝑖𝑐𝑎, 𝑐𝑃 𝛾̇ = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒, 𝑠−1

   

Emulsiones. Pinturas. Lodos de perforación. Sólidos en suspensión en líquidos o agua, etc.



Suspensiones acuosas de arcilla. Napalm en keroseno. Mostaza. Pasta de papel en agua, etc.

Modelo de Ostwald-de Waele Ley de la potencia.

Fluidos pseudoplásticos

No tienen una tensión de fluencia para que comiencen a deformarse, pero su viscosidad disminuye al aumentar el gradiente de velocidad.

𝜏 = 𝑘𝛾̇𝑛 𝑘 = Í𝑛𝑑𝑖𝑐𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎, 𝑐𝑃𝑒𝑞 𝛾̇ = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒, 𝑠−1 𝑛 = Í𝑛𝑑𝑖𝑐𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜

   

Fluidos dilatantes.

Son fluidos en los que se produce un aumento de la viscosidad con el aumento del gradiente de velocidad.

Fluidos tixotrópicos.

Presentan una disminución limitada de la viscosidad con el tiempo al aplicar repentinamente un esfuerzo cortante.

Fluidos reopécticos.

Aumentan su viscosidad con el tiempo en las mismas condiciones que los fluidos tixotrópicos.

Fluidos viscoelásticos

Recobran parcialmente su forma original al cesar el esfuerzo cortante.

Modelo de Ostwald-de Waele Ley de la potencia.

El estudio cuantitativo de estos y otros tipos de fluidos, de comportamientos no-newtonianos dependientes del tiempo, es uno de los importantes campos de la mecánica de fluidos que todavía está muy poco desarrollado.

       

Harina de maíz mezclada con agua. Disoluciones de almidón muy concentradas. Dióxido de titanio, etc. Algunos aceites del petróleo. Yogurt. Nylon. Salsa de tomate, etc. Pastas de yeso. Algunas tintas de impresora. Clara de huevo.

   

Nata. Asfalto. Gelatina. Helado, etc.





Plásticos de Bingham Un fluido Plástico de Bingham no comienza a fluir hasta que el esfuerzo de corte aplicado exceda el valor mínimo 𝜏𝑦. A partir de este punto el cambio en el esfuerzo de corte es proporcional a la tasa de corte y la constante de proporcionalidad es la viscosidad plástica (𝜇𝑝). Ej. Suspensiones floculadas.

Mayonesa



Pasta dental

Lodo de perforación

FLUIDOS PSEUDOPLÁSTICOS La ley potencial tiene un defecto, y es que cuando γ → 0 la viscosidad aparente µa → ∞, lo cual es físicamente imposible. Además, la constante de consistencia k tiene dimensiones que depende de n, y éste coeficiente no se mantiene constante en ciertos intervalos de flujo. A pesar de estas insuficiencias, el modelo de la ley potencial por su simplicidad resulta sumamente útil para abordar el tratamiento de algunos tipos de problemas como el de flujos en tuberías como se verá más adelante. Otras ecuaciones empíricas que permiten modelizar con mejor aproximación un fluido pseudoplástico y que superan las carencias de la ley potencial son las siguientes:

donde A, B y C son constantes características de cada fluido particular. El uso de ley potencial para el análisis de fluidos pseudoplásticos es adecuado para muchas aplicaciones de ingeniería. Las otras aproximaciones para modelizar este tipo de fluido conduce a análisis más complejos debiendo recurrirse a programas computacionales muy elaborados que se basan en leyes empíricas obtenidas de mediciones de las propiedades viscosas del fluido.

Pasta de papel en agua

Arcilla con agua



FLUIDOS DILATANTES. Los fluidos dilatantes al igual que los pseudoplásticos no tienen una tensión de fluencia inicial, pero el coeficiente η de la ecuación (2) disminuye al aumentar el gradiente de velocidad hasta que para grandes valores de éste adquiere un valor µ ∞ constante. Los fluidos dilatantes son mucho menos comunes que los pseudoplásticos. Ejemplo de fluidos que exhiben este comportamiento son la manteca, las arenas movedizas y las suspensiones de almidón. Se pueden modelizar con la ley potencial, con exponente n >1:

Manteca de cerdo

Arena movediza

Almidón con agua

2.- FLUIDOS NO-NEWTONIANOS DEPENDIENTES DEL TIEMPO. Existen otro tipo de fluidos que son más complejos que los vistos y cuya viscosidad aparente depende no solo de la velocidad de deformación γ , sino también del tiempo durante el cual actúa la tensión tangencial τ. Se los clasifica en dos grupos principales: • Fluidos tixotrópicos • Fluidos reopécticos. En los tixotrópicos la tensión tangencial disminuye con el tiempo, mientras que en los reopécticos se incrementa. Un ejemplo común de fluido tixotrópico lo constituye la tinta de impresión que generalmente se la trabaja en rollos antes de aplicarla a una placa.



Fluidos tixotrópicos La viscosidad aparente de los fluidos tixotrópicos es una función tanto de la tensión tangencial como de la velocidad de deformación:

Al actuar una tensión tangencial a este fluido desde el estado de reposo, sufre un proceso, de fraccionamiento a escala molecular seguido de una reconstitución estructural a medida que transcurre el tiempo.

Yogurt

Salsa de tomate

Aceite de petróleo



Fluidos reopécticos Los fluidos reopécticos se comportan en forma parecida a los tixotrópicos, pero en ellos la variable η tiene un incremento con la velocidad de deformación similarmente a la de un fluido dilatante en su fase inicial de deformación hasta alcanzar un valor límite donde τ comienza a disminuir con 𝛾̇.

Comportamiento de un fluido reopéctico

Clara de huevo



Tinta de impresora

3.- FLUIDOS VISCOELÁSTICOS

Los materiales viscoelásticos exhiben propiedades elásticas y viscosas, y el más simple es aquel que desde el punto de vista de la viscosidad se comporta como newtoniano, y en lo referente a su elasticidad sigue a la ley de Hooke. Para estos materiales le velocidad e deformación se expresa:

siendo 𝜆 el módulo de rigidez. Para un flujo estacionario 𝜏 = 0 , y el fluido se comporta como un fluido newtoniano simple. Sin embargo, al variar la tensión tangencial comienzan a manifestarse los efectos elásticos. Maxwell propuso inicialmente la siguiente ecuación para los fluidos viscoelásticos:

y los líquidos que cumplen esa ley se llaman líquidos de Maxwell. La constante (𝜇0⁄𝜆)−1 se conoce como tiempo de relajación y es físicamente la constante de tiempo del decremento exponencial de la tensión para una deformación constante.

Gelatina

Nata Helado

DIFERENCIA ENTRE SÓLIDO Y FLUIDO: Sólidos. Tienen forma geométrica definida. Dureza Aspereza Soportan esfuerzos tangenciales. Tiene forma y volumen propio. La fuerza de atracción entre las moléculas es tan fuerte que evitan que estas se separen.

Fluidos. No tiene una forma definida. No es posible contenerlo en su totalidad en las manos. Siempre proporciona la sensación de suavidad Ceden automáticamente al cambio de su forma con la acción de una fuerza. Adoptan la forma del recipiente que los contiene. La fuerza de atracción entre las moléculas no es lo suficientemente grande como para que sea un sólido, es decir que las moléculas tienen un movimiento relativo entre ellas.