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Flujos externos




Enviado por diogenes vera



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    1 TEMA 2: FLUJOS EXTERNOS 2.1.- Objetivos específicos: Al
    finalizar el Tema 2, el alumno debe ser capaz de: Identificar el
    perfil de velocidad vinculado a la separación del flujo y
    relacionarlo con el gradiente de presión adverso. Aplicar
    la data de coeficiente de arrastre de cuerpos inmersos.
    Identificar el desprendimiento de vórtices en el flujo
    sobre cuerpos inmersos. Plantear la necesidad de dar forma
    aerodinámica a cuerpos sometidos a flujo. Reconocer la
    aparición de la cavitación en cuerpos sometidos a
    flujos. Estimar los efectos de sustentación y arrastre en
    perfiles de ala a partir de data experimental. Determinar las
    funciones de corriente y potencial para flujo irrotacionales.
    Evaluar, para una placa plana, los números de Reynolds
    crítico y local, el espesor de capa límite laminar
    y turbulenta. Estimar, aproximadamente, el efecto de la capa
    límite sobre el gradiente de presión.

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    2 2.2.- INTRODUCCION Los flujos externos son aquellos flujos
    sumergidos en un fluido SIN fronteras. El flujo sobre sobre una
    placa semiinfinita y el flujo sobre un cilindro son ejemplos de
    FLUJOS EXTERNOS. FLUJO VISCOSO LAMINAR INCOMPRESIBLE SOBRE PLACA
    SEMIINFINITA

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    3 El flujo externo sobre una placa infinita mostrada en la figura
    es representativo como modelo de aproximación al
    movimiento de un fluido alrededor de un ala delgada o al de un
    casco de un barco. El flujo que se acerca al objeto es de
    velocidad uniforme U8 . Una imagen cualitativa entre dos
    secciones x1 y x2 sera analizada para ver la distribucion de
    velocidades. De acuerdo a la condicion de deslizamiento la
    velocidad en la pared en x1 y x2 es cero. Debido a que la placa
    es estacionaria ejerce una fuerza RETARDADORA sobre el flujo
    cerca de la pared y a distancias y1 e y2 la velocidad en esos
    puntos sera U8, pues a esas distancias el flujo NO se ve afectado
    por la superficie de la placa. Entre y = 0 y los puntos y1 e y2,
    los esfuerzos de corte viscosos se hacen presentes pues existe en
    esas zonas un GRADIENTE DE VELOCIDAD ( du / dy ? 0 ). De la
    imagen cualitativa podemos dividir el flujo en dos regiones. La
    zona donde se presentan los esfuerzos de corte (zona viscosa)
    recibe el nombre de CAPA LIMITE y fuera de esta zona donde el
    gradiente de velocidad es cero (no existen esfuerzos de corte
    viscosos) se puede considerar FLUJO POTENCIAL (fluido ideal). El
    tamaño de la capa limite dependerá de las
    propiedades del fluido ( µ ).

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    4 Consideremos ahora el flujo INCOMPRESIBLE sobre un cilindro,
    donde son importantes tanto las fuerzas de presión como
    las fuerzas viscosas. Debido a que este flujo es estacionario (no
    hay variación de las propiedades respecto al tiempo), las
    líneas de trayectoria, traza y líneas de corriente
    SON idénticas. La visualización del flujo la vemos
    en la figura para flujo viscoso e ideal. IMAGEN CUALITATIVA DE UN
    FLUJO INCOMPRESIBLE SOBRE UN CILINDRO

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    5 Se puede observar que las líneas de corriente son
    SIMETRICAS alrededor del eje x y en el entorno del cilindro para
    el caso viscoso. El fluido a lo largo de la línea de
    corriente central choca sobre el cilindro en el punto A (PUNTO DE
    ESTANCAMIENTO), se divide y fluye simétricamente alrededor
    del cilindro. Se genera debido a la viscosidad una CAPA LIMITE en
    la vecindad de la superficie sólida. La
    distribución de velocidades fuera de la capa limite se
    puede determinar cualitativamente a partir del espaciamiento de
    las líneas de corriente. En vista que NO puede haber flujo
    a través de una línea de corriente, la velocidad
    del flujo AUMENTARA en regiones donde disminuya el espaciamiento
    entre líneas de corriente, el caso inverso implica una
    reducción de la velocidad. Para este flujo REAL, la capa
    limite será delgada entre los puntos A y C y como esta es
    delgada se puede suponer que el campo de presiones es
    cualitativamente el mismo como si el fluido fuese ideal
    (Simétrico). Como la presión disminuye entre los
    puntos A y B (aumento de la velocidad), un elemento de fluido
    DENTRO de la capa limite experimentara una fuerza de
    presión NETA en la dirección del flujo. En la
    región entre A y B esta fuerza de presión neta es
    suficiente para SUPERAR la fuerza de corte de RESISTENCIA y el
    movimiento del elemento en la dirección del flujo se
    mantiene.

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    6 Si tenemos ahora un elemento de fluido dentro de la capa limite
    y localizado en la parte POSTERIOR del cilindro, mas allá
    del punto B y en vista que la presión AUMENTA (disminuye
    la velocidad) en la dirección del flujo, el ,elemento de
    fluido experimenta una fuerza de presión NETA OPUESTA a la
    dirección del movimiento. En algún punto, el
    momento del fluido en la capa limite es INSUFICIENTE como para
    llevar al elemento aun mas adentro de la región de
    presión creciente. Las capas de fluido adyacentes a la
    superficie sólida se llevan al reposo y el flujo se SEPARA
    de dicha superficie. La separación de la capa limite da
    origen a la formación de una región de
    relativamente baja presión detrás de un cuerpo.
    Esta región que es DEFICIENTE en momento, recibe el nombre
    de ESTELA. Por consiguiente , para flujo separado sobre un
    cuerpo, hay un DESBALANCE NETO DE FUERZAS DE PRESION en la
    dirección del flujo, lo que produce una FUERZA DE ARRASTRE
    sobre el cuerpo. Cuanto mayor es el tamaño de la estela
    detrás del cuerpo, mayor resulta la fuerza de arrastre.
    Para reducir el tamaño de la estela y así disminuir
    la fuerza de arrastre es necesario darle al cuerpo una FORMA
    AERODINAMICA a objeto de reducir el gradiente de presión
    adverso que origina la separación de la capa limite y la
    formación de la estela.

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    7 Para el flujo alrededor de un cilindro de un flujo NO VISCOSO
    (ideal), el flujo es SIMETRICO tanto alrededor del eje x como del
    eje y. La velocidad del flujo en torno al cilindro AUMENTA hasta
    un máximo en el punto B y luego disminuye conforme nos
    alejamos del cilindro. Para flujo NO VISCOSO, un aumento de la
    velocidad se acompaña de una reducción de la
    velocidad y viceversa, por lo tanto la presión a lo largo
    de la superficie del cilindro disminuye a medida que nos movemos
    del punto A al punto B y después nuevamente aumenta del
    punto B al punto C (en la misma magnitud). Como el flujo es
    SIMETRICO con respecto a los ejes x e y, se espera que la
    DISTRIBUCION DE PRESIONES (bulbo de presiones) también sea
    SIMETRICO respecto a los ejes x e y. Como los esfuerzos de corte
    NO están presentes en un flujo NO viscoso, las fuerzas de
    presión son las UNICAS que se necesitan para determinar la
    FUERZA NETA sobre el cilindro. La simetría de la
    distribución de presiones nos lleva a la conclusión
    que para un flujo NO viscoso, NO hay FUERZA DE ARRATRE y esto se
    debe a que al no haber viscosidad NO existe capa limite y es esta
    la que altera la simetría de la distribución de
    presiones.

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    8 En función del análisis cualitativo de los
    ejemplos visto hasta aquí podemos plantear que : La
    RESISTENCIA que un fluido ejerce sobre un cuerpo que se desplaza
    en su seno y/o recíprocamente, es decir, la fuerza con que
    un fluido en movimiento EMPUJA un cuerpo fijo y que se interpone
    en su desplazamiento es y representa uno de los GRANDES problemas
    que deben resolver los ingenieros para diseñar y construir
    equipos con la máxima eficiencia y costo. El estudio y
    análisis de estas fuerzas es extremadamente complejo a
    objeto de dilucidar el mecanismo mediante el cual se generan
    estas FUERZAS de RESISTENCIA. Físicamente hablando se
    pueden discernir cuales son los FACTORES que entran en juego (los
    ejemplos observados): Las FUERZAS NETAS que actúan sobre o
    desde un cuerpo en el flujo externo, provienen de la DISTRIBUCION
    O CAMPO DE PRESIONES y de la DISTRIBUCION de los ESFUERZOS
    CORTANTES que actúan en la superficie del cuerpo. En base
    a definir ciertos modelos para el estudio (Fluido Ideal, Capa
    Limite, etc) es posible prever de manera aproximada lo que
    serán las presiones y esfuerzos cortantes actuantes. Pero,
    lamentablemente la INTEGRACION de las ecuaciones de NAVIER
    – STOKES para este tipo de problemas es IMPOSIBLE de
    realizar aun en los cuerpos mas simples y se debe recurrir a la
    experimentacion.

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    9 El estudio de los flujos externos es de gran importancia en la
    AERODINAMICA y en la HIDRODINAMICA; diseño de aviones, de
    barcos, de vehículos, de alabes de maquinas rotativas
    dinámicas, flujo de fluidos por estructuras (edificios,
    puentes, chimeneas, torres, tuberías submarinas, etc.).
    Existen flujos con números de REYNOLDS bajos, FLUJOS
    DESLIZANTES o de STOKES (Re< 5), que rara vez ocurren en
    aplicaciones de ingenieria (flujo alrededor de gotas de rocio,
    globulos rojos en la sangre, flujo en medio poroso son las
    exepciones) y flujos externo con Re > 1000 que se inscriben
    dentro de los flujos externos con alto Re. Los flujos externos de
    alto Re (Re > 1000) se subdividen en: a) Flujos sumergidos
    incompresibles que implican objetos como; automoviles,
    helicopteros, submarinos, aviones de baja velocidad, edificios,
    alabes de turbinas. b) Flujos de liquidos que implican una
    superficie libre como el caso de los barcos. c) Flujos
    compresibles que implican objetos de ALTA velocidad (V >100
    m/s),aviones, proyectiles balisticos, cohetes.

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    10 En este tema solo estudiaremos los casos circunscritos a la
    primera clasificación y se consideraran solo casos en los
    que el objeto esta alejado de capas sólidas u objetos
    vecinos (Cuerpo aislado). Los flujos sumergidos incompresibles
    con REYNOLDS altos se dividen en dos categorías; Flujo
    alrededor de cuerpos ROMOS y flujo alrededor de cuerpos
    AERODINAMICOS ( Ver figuras) FLUJO ALREDEDOR DE UN CUERPO
    ROMO

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    11 FLUJO ALREDEDOR DE UN CUERPO AERODINAMICO

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    12 Podemos observar en las dos figuras que la capa limite en los
    alrededores del punto de estancamiento es laminar y a medida que
    se desplaza por la superficie del cilindro y aumenta
    progresivamente la velocidad del flujo experimenta una
    transición a capa limite TURBULENTA, y esta capa limite se
    puede separar del cuerpo formando una REGION DE SEPARACION donde
    existe un flujo RECIRCULANTE como se muestra en el cuerpo ROMO o
    bien deja el perfil aerodinámico por el borde de salida
    (puede existir una pequeña región de
    separación). La ESTELA, caracterizada por un DEFECTO DE
    VELOCIDAD es una región CRECIENTE (difusión) y
    sigue al cuerpo. Los limites de la ESTELA, la REGION DE
    SEPARACION y la CAPA LIMITE TURBULENTA, dependen del tiempo y la
    ubicación promedio de la estela en el tiempo se muestra
    punteada en la figura. Los esfuerzos cortantes generados por la
    viscosidad se concentran en la delgada capa limite, la
    región separada y la estela. Fuera de estas regiones el
    flujo es aproximadamente IDEAL. Observando la figura, se puede
    suponer que la región de separación NO intercambia
    masa con la corriente libre, puesto que por definición la
    masa NO cruza las líneas de corriente y como estas
    dependen del tiempo y debido al carácter no estable en
    esta región, es capaz de intercambiar masa LENTAMENTE con
    la corriente libre.

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    13 La región separada al final se CIERRA y la estela
    continua DIFUNDIENDOSE hacia el flujo principal hasta que
    desaparece al hacerse excesivamente grande y el fluido recupera
    su velocidad de corriente libre. La región separada
    SIEMPRE esta sumergida en la estela y las corriente libres NO
    entran ni a la región separada ni a la estela. Lo que
    interesa es poder evaluar la fuerza de ARRASTRE (FD) que el flujo
    ejerce en el cuerpo y en la misma dirección del flujo, y
    por otro lado la fuerza de SUSTENTACION (FL) que actúa
    NORMAL a la dirección del flujo y se definen los
    respectivos COEFICIENTE de ARRASTRE (CD) y el COEFICIENTE de
    SUSTENTACION (CL) como: CD = FD / (1/2 ? V2A) ; CL = FL / (1/2 ?
    V2A) A ? Area proyectada en un plano normal a la direccion del
    flujo( para formas aerodinamicas es la cuerda)

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    14 2.3.- SEPARACION: Ocurre SEPARACION, cuando el flujo de
    corriente principal ABANDONA el cuerpo, lo que ocasiona una
    región de flujo separada, como se observa en la figura.
    SEPARACION PROVOCADA POR CAMBIOS GEOMETRICOS ABRUPTOS

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    15 La ubicación del punto o puntos de separación de
    flujo depende principalmente de la GEOMETRIA del cuerpo, por
    ejemplo en la figura ocurrirá separación en o cerca
    del cambio abrupto y también corriente arriba y la
    READHESION se producirá en algún lugar. Veremos un
    criterio para predecir la ubicación de estos puntos.
    Consideremos el flujo sobre la superficie plana antes del
    escalón, la coordenada y es normal a la pared del
    escalón y la coordenada x a lo largo de la pared.
    Corriente arriba del punto de separación, la componente ux
    actúa en la dirección negativa de x y por lo tanto
    dux / dy < 0. Corriente abajo del punto de separacion, la
    componente ux de la velocidad cerca de la pared es positiva por
    lo tanto dux / dy > 0. Se concluye entonces que el PUNTO DE
    SEPARACION se definira cuando: (dux / dy) pared = 0.

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    16 SEPARACION DEL FLUJO SOBRE UNA SUPERFICIE PLANA PROVOCADA POR
    UN GRADIENTE DE PRESION ADVERSO

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    17 Debemos observar que la separacion sobre la superficie plana
    sucede a medida que el flujo se aproxima a una region de
    ESTANCAMIENTO donde la velocidad va disminuyendo y la presion
    aumentando, es decir dp / dx > 0. Como a veces la separacion
    no es conveniente, este gradiente que la provoca se conoce como
    GRADIENTE DE PRESION ADVERSA, por lo tanto un gradiente de
    presion negativa es un GRADIENTE DE PRESION FAVORABLE. Ademas de
    la geometria y el gradiente de presion, otros parametros INFLUYEN
    en la separacion:El numero de REYNOLDS, las rugosidades, la
    INTENSIDAD DE FLUCTUACION DE CORRIENTE LIBRE (perturbaciones
    alejadas del limite) y la temperatura de la pared. En el flujo
    alrededor de una esfera con Re suficientemente bajos NO se
    produce separacion. Conforme el Re se incrementa la separacion
    ocurre en un area muy pequeña en la parte posterior de la
    esfera y esta sera mas y mas grande a medida que se incrementa el
    Re hasta que para un cierto Re, YA no se incrementara mas. La
    capa limite ANTES de la separacion aun sera LAMINAR y a medida
    que la capa limite ANTES de la separacion se hace turbulenta, se
    presenta un desplazamiento repentino del punto de separacion a la
    parte trasera de la esfera, lo que ayuda a reducir el area de
    separacion y por lo tanto el ARRASTRE.

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    18 Este fenomeno se explica comparando el perfil de velocidades
    de una capa limite laminar con uno de capa limite turbulenta (ver
    figura). El perfil turbulento tiene un gradiente mucho mayor
    cerca de la pared que el laminar (mayores esfuerzos de corte en
    la pared) y por lo tanto la CANTIDAD LINEAL DE MOVIMIENTO del
    fluido proximo a la pared es mucho mayor en la capa limite
    turbulenta. Para una geometria dada se requier una mayor
    distancia para reducir la velocidad cerca de la pared a cero, lo
    que origina el desplazamiento del punto de separacion a la parte
    posterior. COMPARACION DE PERFILES DE VELOCIDAD CAPA LIMITE
    LAMINAR Y TURBULENTA

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    19 2.4.- FLUJO ALREDEDOR DE CUERPOS SUMERGIDOS. 2.4.1.
    Coeficientes de Arrastre: En el análisis dimensional se
    estudio que para un flujo incompresible continuo y en el que se
    ignoran los efectos de la gravedad, térmicos y de
    tensión superficial, el parámetro de flujo
    fundamental es el numero de REYNOLDS, otros parámetros
    pueden incluir las rugosidades relativas de la pared y las
    intensidad de la fluctuación de la velocidad de corriente
    libre. Sabemos que TODO fluido real ejerce sobre un cuerpo que se
    desplaza en su seno o viceversa una RESISTENCIA al movimiento.
    Las fuerzas NETAS que originan estas resistencias provienen del
    balance de la distribución de presiones y de esfuerzos de
    corte que actúan sobre la superficie del cuerpo. La
    VISCOSIDAD juega un papel fundamental en este asunto: La
    distribución de presiones sobre un cilindro para un fluido
    ideal es SIMETRICA y esta simetría es ALTERADA en un
    fluido REAL (debido a la existencia de una capa limite) dando
    origen a un desequilibrio de fuerzas de presión y dando
    origen a una FUERZA DE SUSTENTACION (Resistencia de forma) y la
    distribución de los esfuerzos de corte genera sobre la
    superficie una fuerza de ARRASTRE cuya resultante se llamara
    RESISTENCIA DE SUPERFICIE.

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    20 Estas dos fuerzas componen lo que se conoce como FUERZA DE
    ARRASTRE (FD) y que dependera en general del numero de REYNOLDS.
    Tambien se puede agregar a la fuerza de arrastre lo que se conoce
    como RESISTENCIA DE ONDA, que se produce sobre un objeto
    moviendose en un liquido o en el flujo supersonico de un fluido
    compresible. Analizando el caso de un cilindro circular liso y
    estacionario colocado perpendicularmente a un flujo incompresible
    en movimiento tenemos las siguientes situaciones ya vistas y
    profundizadas ahora: a) Movimiento muy lento (Flujo de STOKES Re
    < 5), las fuerzas de inercia son despreciables y la viscosidad
    actua en el seno de TODO el fluido y NO hay estela aguas abajo
    del cuerpo y la resistencia es casi proporcional a la velocidad
    de acercamiento U y los dos tercios de ella es debida a la
    resistencia de superficie. CD = FD / (1/2 ? U02 A) ; CD = f
    (Re)

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    21 b) Cuando 5 < Re < 200, los efectos de la viscosidad se
    han concentrado CERCA de la pared formandose una CAPA LIMITE
    LAMINAR y que permanece PEGADA a la pared del cilindro y una
    separacion en la parte posterior del mismo, muy pequeña y
    con una estela estrecha. La RESISTENCIA DE FORMA , osea, la
    debida a una distribucion DISIMETRICA de las presiones va
    cobrando mayor importancia. c) Cuando 200 < Re < 2 x 105 ,
    la estela se agranda debido a que la CAPA LIMITE LAMINAR se
    separa cada vez mas aguas arriba del cuerpo. Aparecen los
    VORTICES ALTERNANTES de VON KARMAN (torbellinos de VON KARMAN).
    La RESISTENCIA DE FORMA es casi el 75 % de la fuerza de arrastre
    TOTAL. El minimo valor del coeficiente de arrastre CD es de 0.95
    y se alcanza cuando Re ˜ 2000 y despues sube ligeramente
    debido a la mayor turbulencia en la estela. Para valores de Re
    > 2000, el punto de separacion sigue avanzando aguas arriba,
    produciendose una MAYOR DISIMETRIA en el bulbo de presiones y
    esto puede causar casi el 95 % del arrastre total).

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    22 d) Cuando Re alcanza el valor de 2 x 105, la capa limite se
    hace TURBULENTA antes de la separacion. El gradiente de presiones
    es entoces MENOR aguas abajo y el punto de separacion se mueve
    tambien aguas abajo, la estela se hace mas estrecha y la fuerza
    de arrastre se hace menor y hay un descenso brusco en el valor de
    CD. Los criterios a seguir para disminuir la fuerza de arrastre
    FD, resultan bastante complejos. La idea es hacer los cuerpos de
    forma AERODINAMICA para DISMINUIR al maximo la separacion de la
    capa limite y dejar la estela reducida a un minimo. Las
    limitaciones surgen pues un cuerpo de GRAN perimetro, para una
    altura H determinada (Caracteristica de los cuerpos
    aerodinamicos), hace que AUMENTE notablemente el efecto de la
    FRICCION y lo que ganamos por disminucion de la estela lo gana la
    fuerza de arrastre por aumento de la RESISTENCIA DE SUPERFICIE.
    En las tablas 8.1 y 8.2 del POTTER & WIGGERT ( tercera
    edicion y pag. 315 y 316, se muestran diferentes valores de CD
    para diferentes figuras).

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    23 Veremos en el grafico de la figura 8.9 del POTTER &
    WIGGERT ( tercera edicion, pagina 314) DOS curvas de coeficientes
    de arrastre CD: Esfera lisa y cilindro circular liso y esfera y
    cilindro aerodinamico respectivamente, para un amplio valores de
    Re. a) Para Re < 1, el flujo es completamente deslizante y NO
    hay separacion. Para una esfera lisa tenemos que CD = 24 / Re. b)
    Para Re ˜ 10, se observa separacion en un area muy
    pequeña en la parte posterior del cuerpo y esta area se
    incrementara a medida que aumente progresivamente el Re. c)
    Cuando Re ˜ 1000, la region separada DEJA de crecer y
    durante el crecimiento de la region separada el coeficiente de
    arrastre DISMINUYE. Con Re = 1000, el 95% del arrastre se debido
    a la FORMA (fuerzas de presion) y el 5% al arrastre producido por
    la FRICCION ( esfuerzos cortantes) d) La curva de coeficiente de
    arrastre, es RELATIVAMENTE plana para los cuerpos lisos en el
    intervalo 103 < Re < 2 x 105. La capa limite es LAMINAR y
    la estela es relativamente grande y ordenada (ver figura 8.8 a
    POTTER).

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    24 e) Con Re ˜ 2 x 105 , para una superficie lisa y con
    intensidad de fluctuacion de corriente libre baja, la capa limite
    antes de la separacion, sufre una TRANSICION a un estado
    turbulento y la cantidad lineal de movimiento incrementada en la
    capa limite “EMPUJA” la separacion aguas abajo (ver
    fig 8.8 b). Con una disminucion sustancial ( 60 a 85 % de
    disminucion) del arrastre. Si la superficie es aspera (Ej
    hoyuelos en pelota golf) o la corriente libre tiene una alta
    fluctuacion, la caida de la curva de CD puede ocurrir a Re
    ˜ 8 x 104. puesto que se requiere un arrastre BAJO, a veces
    se le da rugosidad a la superficie. f) Despues de la repentina
    disminucion del arrastre, se observa que CD de nuevo aumenta al
    aumentar Re. No hay datos disponibles para Re > 106 para
    esferas y Re > 6 x 107 para cilindros. Se utiliza un CD = 0.2
    pra esferas con gran Re y CD = 0.4 para cilindros de Re
    grandes.

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    25 COEFICIENTES DE ARRRASTRE PARA CILINDRO Y ESFERA

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    26 Ejemplo 1: Un letrero cuadrado de 3 x 3 metros, se coloca en
    un poste de 20 metros de altura y tiene un diametro de 30
    centimetros. Estimar el maximo momento que la base debe resistir
    si el viento tiene una velocidad de 30 m/s. EJEMPLO 1

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    27 a) La maxima fuerza que actua sobre el letrero es cuando el
    viento es normal a este. F1 = CD x ½ ? V2 A (Tabla 8.2 ;
    CD = 1.1) F1 = 1.1 x ½ *1.2 * 302 * 32 = 5350 N b) La
    máxima fuerza sobre el poste: Area proyectada: A = 20 *
    0.32 ; Re = 30 * 0.3 / 1.6*10-5 = 563 * 105 De la figura 8.8 ? CD
    = 0.8 F2 = CD x ½ ? V2 A = 0.8 x ½
    *1.2*1.2*302*(20*0.3) F2 = 2600 N c) M = h1 F1 + h2 F2 = 21.5 *
    5350 + 10*2600 = 141000 N-m

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    28 Ejemplo 2: Una chimenea cilindrica con D = 1 mt. Y H = 25 m,
    esta expuesta a un viento de V = 50 Km/h. Si la presion local es
    de p = 101 Kpa y la temperatura T = 15º C (Condiciones
    Standard). Se desprecian los efectos en los extremos y las rachas
    de viento. Calcule el momento debido a la flexion en la base.
    EJEMPLO 2

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    29 a) La maxima fuerza que actua sobre la chimenea, es cuando el
    viento es normal a este. FD = CD x ½ ? V2 A (Tabla 8.2 ;
    CD = 1.1) MD = FD H/2 = CD x ½ ? V2 A * H/2 = CD x ? V2 A
    * H/4 Para el aire en CS ? ? = 1.23 Kg /m3 ? µ = 1.78 x
    10-5 Kg / (m-s) Re = ? V L / µ = 9.61 x 105 ? fig 8.9 CD =
    0.35 Ap = DH ? MD = CD x ? V2 D * H 2 /4 MD = 13 KN-m

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    30 Ejemplo 3: Un barco tanquero de 360 mt de eslora (largo) tiene
    una manga maxima (ancho) de 70 mt y una linea de flotacion de 25
    mt. Estime la fuerza y la potencia requeridas para superar la
    fuerza de arrastre superficial debida a la friccion, si la
    velocidad de crucero es de 13 nudos y navega en agua de mar con
    una temperatura de 10º C. EJEMPLO 3

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    31 Modelaremos el casco del barco como una placa plana de
    longitud L y ancho A = B + 2 T Estimaremos el arrastre debido a
    la friccion superficial a partir del coeficiente de arrastre. a)
    FD = CD x ½ ? V2 A ; CD = FD / ½ ? V2 A CD = 0.455
    / (log Re)2.58 – 1610 / Re ( 5 x 105 < Re < 109 ) b) V =
    13 nudos = 13 millas nauticas / hora = 6.69 m/seg c) Para agua de
    mar a T = 10º C ? ? = 1.4 x 10-6 m2 / seg. Re = V L / ? =
    6.69 * 360 / 1.4 x 10-6 = 1.72 x 109

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    32 d) El coeficiente de arrastre sera: CD = 0.455 / (log 1.72 x
    109)2.58 – 1610 / 1.72 x 109 CD = 0.00147 e) La fiuerza de
    arrastre sera: FD = CD x ½ ? V2 A = 0.00147 x 360( 70 +
    50)*1/2 1020 * 6.69 FD = 1.45 MN f) La potencia sera: P = V x FD
    = 1.15 x 106 N * 6.69 m/seg ˜ 13000 HP

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    33 2.4.2. Formación de Vórtices: Objetos como
    cilindros circulares (Romos), colocados normalmente a un flujo de
    un fluido incompresible muestran en su parte posterior VORTICES o
    REMOLINOS de forma regular y alternándose desde lados
    opuestos como se muestra en la figura. El flujo resultante se
    conoce como TORBELLINOS O VORTICES de VON KARMAN. FORMACION DE
    VORTICES DE VON KARMAN

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    34 Estos vortices,son emitidos cuando 40 < Re < 104, y van
    acompañados por turbulencia para Re > 300. En la fig
    8.11 (pag 319 POTTER) se presentan fotografias de formacion de
    vortices para Re altos y bajos. En base al analisis dimensional
    se consigue una expresion para encontrar la FRECUENCIA de emision
    de estos vortices. Para el caso de altos Re (fuerzas viscosas
    insignificantes), la frecuencia de EMISION f (Hertz), depende
    solo de la velocidad y el diametro, por lo tanto, f = f (V,D) y
    mediante el analisis dimensional se puede demostrar que : f D/V =
    Cte. La frecuencia de emision, expresada como una cantidad SIN
    dimensiones se expresa por el NUMERO DE STROUHAL (St). St = f D /
    V En el grafico obtenido de datos experimentales, se observa que
    St ˜ 0.21 para 300 < Re < 104, en consecuencia, la
    frecuencia es DIRECTAMENTE proporcional a la velocidad en ese
    intervalo.

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    35 NUMEROS DE STROUHAL VS REYNOLDS (CILINDRO)

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    36 Es muy importante tener en cuenta en el diseño de
    estructuras elevadas (puentes colgantes, chimeneas, postes,
    torres, etc.) la posibilidad de producción de VORTICES. Es
    necesario tener extremo cuidado en determinar con
    precisión la FRECUENCIA de formación de los
    VORTICES DE VON KARMAN y la emisión de los mismos, pues si
    la frecuencia de emisión de los vértices se
    aproxima a la frecuencia natural de la estructura ( o a uno de
    sus armónicos), puede ocurrir el FENOMENO de RESONANCIA y
    la fuerza dinámica sobre la estructura se va amplificando
    hasta producir el COLAPSO de la misma. Un ejemplo de esta
    situación catastrófica fue el colapso del puente
    colgante TACOMA NARROWS (EEUU). Ejemplo 4: La velocidad de una
    corriente lenta de aire a 30°C , tiene que ser medida por
    medio de un cilindro y en este se ha colocado un injerto de
    presion localizado entre los puntos A y B (fig. diap. 34). Se
    espera que el intervalo de velocidad este entre 0.1 < V < 1
    m/s. ¿Que tamaño de cilindro debe seleccionarse y
    que frecuencia es observada por el dispositivo medidor de presion
    con V = 1 m/s?.

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    37 a) El numero de REYNOLDS, debe quedar comprendido en el
    intervalo de formación de vórtices, por ejemplo Re
    = 4000. Para la velocidad máxima el diámetro del
    cilindro será: Re = 4000 = V D / ? = 1 * D / (1.6 x 10-6)
    D = 0.064 m (seleccionamos D = 6 Cm) b) Con la velocidad
    mínima el Re será: Re = 0.1 * 0.06/(1.6×10-6) = 375
    (hay formación vórtices ? aceptable) c) La
    frecuencia de formación de vórtices para 1 m/s se
    encuentra con St = 0.21. St = 0.21 = f D/ V ? f = 3.5 Hertz

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    38 2.4.3. Perfil Aerodinámico: Sabemos que la
    región de flujo separado se puede REDUCIR o ELIMINAR,
    dándole al cuerpo una forma de PERFIL AERODINAMICO. El
    objetivo de este perfil es REDUCIR el gradiente de presión
    ADVERSO que ocurre detrás del punto de máximo
    espesor del cuerpo, esto RETARDA la separación de la capa
    limite y por ello se reduce el ARRASTRE debido a la
    presión. Sin embargo se aumenta el AREA de la superficie
    del cuerpo y esto provoca un INCREMENTO del arrastre por FRICCION
    SUPERFICIAL. La forma optima entonces de un perfil
    aerodinámico será aquella que produzca un ARRASTRE
    MINIMO. Si analizamos lo que sucede en un cilindro en la capa
    limite, vemos que el flujo en esta capa debe moverse a regiones
    de presión mas altas mientras se mueve desde el punto
    superior hacia el punto de estancamiento posterior. Para
    números de REYNOLDS suficientemente grandes (Re > 10),
    la capa limite de movimiento lento proxima a la superficie es
    INCAPAZ de abrirse paso hacia la region de alta presion cercana
    al punto de estancamiento posterior, y se SEPARA del objeto. El
    perfilado del cuerpo REDUCE la presion en la parte posterior del
    objeto de forma que el flujo lento es capaz de llegar a regiones
    de presiones mas alta que en las condiciones sin perfilacion. En
    la figura 8.9 se muestran coeficientes de arrastre para cilindros
    y esferas perfiladas.

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    39 Podemos resumir que el perfil aerodinámico NO puede ser
    tan grande si el arrastre por cortante es mas grande que el
    arrastre por presión mas el arrastre por cortante en un
    cuerpo mas corto, es necesario OPTIMIZAR el tamaño. Otra
    ventaja del perfilado es que la formación periódica
    de vórtices prácticamente se elimina y así
    se reducen las vibraciones provocadas por estos vórtices
    desprendidos. El gradiente de presión alrededor de un
    cilindro perfilado (lagrima), es menos severo que un cilindro
    romo NO perfilado. El intercambio entre el arrastre de
    fricción y de presión para esta forma de lagrima de
    un cilindro perfilado se ilustra en la figura para experimentos
    con Re = 4 x 105. Vemos de la figura que el coeficiente de
    arrastre MINIMO es CD ˜ 0.06. y que ocurre cuando la
    relacion altura – cuerda del perfil t/c ˜ 0.25 (este
    valor es aproximadamente 20% menos que un cilindro romo). Esto
    significa que se puede emplear un cable colgante por ejemplo de
    cerca de 5 veces el diametro de un cilindro romo SIN afectar el
    arrastre.

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