Fluidos Newtonianos y No Newtonianos

IV CURSO DE TITULACION A DIST DISTANCIA ANCIA INGENIERIA CIVIL CURSO: HIDRAULICA DOCENTE : Ing. Martin Felipe Chumpitáz Camarena ALUMNO : Bach. Ángel Campos Gallegos TEMA 1: FLUIDOS NEWTONIANOS Y NO NEWTONIANOS 2012

Hidráulica

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VISCOSIDAD Y FLUIDOS, NEWTONIANOS

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FLUIDOS NEWTONIANOS

= COEFICIENTE DE VISCOSIDAD ABSOLUTO

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DEFINICION DE VISCOSIDAD La viscosidad es una manifestación del movimiento

molecular dentro del fluido. Las moléculas de regiones con alta velocidad global

chocan con las moléculas que se mueven con una   velocidad global menor, y viceversa. Estos

choques permiten transportar cantidad de movimiento de una región de fluido a otra. Ya que los movimientos moleculares aleatorios se ven afectados por la temperatura del medio, la viscosidad resulta ser una   función de la temperatura. temperatura.

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REYNOLDS El número de Reynolds relaciona la densidad, viscosidad,  velocidad y dimensión típica de un flujo en una expresión dimensional, que intervienen en numerosos problemas de dinámica de fluidos. Para un fluido que circula por el interior de una tubería  circular recta, el número de Reynolds viene dado por: Re = V.D  V = Velocidad del fluido (m/s) D = Diámetro de la tubería (m)

= viscosidad cinemática del fluido (m2/S)

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DEFINICION DE FLUIDO 

Se define fluido como una sustancia que se deforma  continuamente bajo la acción de un esfuerzo de corte, por tanto, en ausencia de este, no habrá deformación.



Los fluidos pueden clasificarse de manera general de acuerdo con la relación entre el esfuerzo de corte aplicado y la relación de deformación.

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ECUACION DE CONTINUIDAD La Ecuación de Continuidad es una consecuencia de principio de la conservación de la masa. A1 V1 = A2 V2 = CTE Q1 = Q2 = CTE Ecuación de Energía (Teorema de Bernoulli)

E1 = E2 = CTE …………. Flujos Ideales P1 + V12 + Z1 = P2 + V22 + Z2 2g 2g ɤ ɤ

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ECUACION DE CONTINUIDAD Para flujo laminar se tiene hf =

Posewille

Darcy

32 Uc x L x V g. D2

hf = f LV2 2gD

L = Longitud (m) V = Velocidad (m/s) Uc = Viscosidad cinemática (m2/s) Darcy hf = Pérdida de carga (m)

f = 64 Re

D = Diámetro (m) g = Gravedad (m/s2) f = Coeficiente de Uab = Uc ɤ g

= d. g

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FLUIDO NEWTONIANO 

Aquellos fluidos donde el directamente proporcional deformación se denominan

esfuerzo cortante es a la rapidez de .



La mayor parte de los fluidos comunes como el agua, el aire, y la gasolina son prácticamente newtonianos bajo condiciones normales.

El término no newtoniano se utiliza para clasificar  todos los fluidos donde el esfuerzo cortante no es directamente proporcional a la rapidez de deformación.



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La primera relación constitutiva para un fluido  viscoso la estableció Isaac Newton en 1687 al proponer que para estos fluidos el esfuerzo de corte aplicado y la deformación producida son proporcionales, es decir, a mayor esfuerzo mayor deformación.



La relación de Newton también puede expresarse diciendo que el esfuerzo de corte y el cambio de la   velocidad en el fluido son proporcionales.



 A la constante de proporcionalidad se le define como la viscosidad del fluido; por esta razón a esta  relación constitutiva lineal también se le llama ley de la viscosidad de Newton.



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ECUACION DE FLUIDOS Matemáticamente, el rozamiento en un flujo unidimensional de un fluido NEWTONIANOS newtoniano se puede representar por la relación: Donde: Es la tensión tangencial ejercida en un punto del fluido o sobre una superficie sólida en contacto con el mismo, tiene unidades de  tensión o presión ([Pa]).

µ

Es la viscosidad del fluido, y para un fluido newtoniano depende sólo

de la temperatura, puede medirse en [Pa · s] o [kp· s/cm2]. Es el gradiente de velocidad perpendicular a la dirección al plano en el que estamos calculando la tensión tangencial, [s 1]. −

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FLUIDOS NEWTONIANOS Ley de Newton dVx =dz

T = .A = -

Caudal (N) 

flujo (N/m2) Viscosidad cinemática o  Viscosidad difusividad de  cantidad de movimiento 

T=-

A

A

d ( Vx) dz

 

(m2/s)

= 

=-

d ( V x) dz/ A

dVx dz

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VISCOSIDAD VISCOSI DAD Y TEMPERA TEMPERATURA  A medida que aumenta la temperatura de un fluido líquido, disminuye su viscosidad. Esto quiere decir que la viscosidad es inversamente proporcional al aumento de la temperatura. La ecuación de Arrhenius predice de manera  aproximada la viscosidad mediante la ecuación:

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Viscosidad de algunos líquidos y gases a temperatura ambiente (20ºC).

Variación Variación de la viscosidad de  líquidos y gases con la temperatura  temperatura 

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Variación de la viscosidad cinemática y densidad relativa de algunos líquidos

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VISCOSIDAD NEWTONIANO 

Si se considera la deformación de dos fluidos newtonianos diferentes, por ejemplo, glicerina y agua, se encontrará que se deforman con diferente rapidez para una misma fuerza cortante.



La glicerina ofrece mucha mayor resistencia a la deformación que el agua; se dice entonces que es mucho más viscosa.



En la mecánica de fluidos se emplea muy frecuentemente el cociente de la viscosidad absoluta, u, entre la densidad, p. Este cociente recibe el nombre de viscosidad cinemática y se representa  mediante el símbolo v . Como la densidad tiene dimensiones [M/Lt], las dimensiones que resultan para  v  son [L2/t]. En el sistema métrico absoluto de unidades, la unidad para v recibe el nombre de stoke = cm2/s).

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EJEMPLOS DE VISCOSIDAD NEWTONIANO En un liquido, las moléculas tienen una movilidad

limitada  con fuerzas cohesivas grandes presentes entre moléculas. Un aumento en la temperatura disminuye la cohesión entre las moléculas y existe un decrecimiento en la pegajosidad del  fluido, es decir, desciende la viscosidad. En un gas, las moléculas tienen una gran movilidad y  generalmente están apartadas, existe poca cohesión entre ellas, a medida que aumenta la temperatura se producirá una  mayor pegajosidad y con ello mayor viscosidad v iscosidad.

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EJEMPLOS DE VISCOSIDAD La experiencia ha demostrado que la gran variedad de líquidos y  NEWTONIANO

gases newtonianos tienen una característica común, a saber, las moléculas que los componen son ligeras, es decir, de bajo peso molecular. Como su nombre lo indica, el peso molecular es una medida del peso de una molécula con respecto a un patrón de referencia, el cual para todo propósito práctico se escoge como el peso de un átomo de hidrógeno, y que puede tomarse como la unidad.

En consecuencia, el peso molecular de una sustancia es un número que representa en forma aproximada, el número de  veces que el peso de la molécula molécula en cuestión excede el peso de un átomo de hidrógeno.

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EJEMPLOS DE VISCOSIDAD Cuando las moléculas de un fluido son muy pesadas, por ejemplo con NEWTONIANO pesos moleculares mayores de 100 000, la ley de viscosidad de Newton ya no describe adecuadamente el flujo de estos fluidos; las relaciones constitutivas ya no son tan simples, pues dejan de ser instantáneas, aunque todavía pueden ser lineales. A esta clase de  fluidos se les llama llama "no newtonianos". newtonianos". La característica esencial de estos sistemas es que sus moléculas son muy pesadas, con pesos moleculares entre 100 000 y 100 000 000, por eso se les llama macromoléculas . Los polímeros tienen gran importancia en la vida y la civilización humanas. Todas las formas de vida dependen de materiales poliméricos como los ácidos nucleicos, las proteínas, los carbohidratos, carbohidratos, etc.

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El proceso mediante el cual estas unidades se unen sucesiva y  repetidamente para formar cadenas largas y pesadas (macromoléculas), (macromoléculas), se llama polimerización figura.

(a) Polimerización lineal, (b) polimerización ramificada, (c) polimerización del estireno.

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EFECTO DEL SIFÓN Lo practicamos al beber un líquido ordinario con un popote: el liquido  fluye a través de él en tanto que uno de sus extremos esté dentro del líquido. Para nuestra sorpresa, si en vez de agua tenemos un fluido no newtoniano se observa que el efecto de sifón puede ocurrir aunque el  tubo de succión succión no esté inmerso inmerso en él. De modo que un fluido polimérico puede succionarse aun y cuando existan varios centímetros centímetros de separación entre la  superficie del fluido y el extremo del tubo.  A este efecto se le conoce como como sifón sin  Tubo.

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Observamos que si ponemos agua en un vaso de precipitados y lo agitamos a  una velocidad moderada con un agitador cilíndrico, en la superficie del agua  alrededor del agitador se produce una depresión. En realidad el efecto podría haberse anticipado, pues por la acción del agitador el agua también empieza a girar y la fuerza centrifuga tiende a  desplazarla hacia las paredes del recipiente. El resultado neto es acumular fluido en Las paredes y producir una deficiencia  alrededor del cilindro, la cual se manifiesta  en la depresión central. Sin embargo, esta  explicación intuitiva es inválida si el fluido es polimérico.  A este fenómeno se le conoce como EFECTO WEISSENBERG  y fue descubierto por Karl Weissenberg en Inglaterra durante la segunda Guerra  Mundial.

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EFECTO DE MEMORIA Esta es una manifestación de la  memoria del fluido y en reología  se le llama efecto de memoria  desvaneciente, desvaneciente, pues se observa que el fluido no recupera totalmente totalmente sus configuraciones configuraciones previas, lo que significa que la memoria se desvanece (relaja) a medida que el tiempo transcurre.  Aquí mostramos gráficamente gráficamente este efecto en la figura, donde los perfiles con líneas oscuras representan, de forma esquemática, el comportamiento del fluido antes de y en el momento de desconectar la bomba.

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EFECTO DE HINCHAMIENTO Otro efecto un tanto sorprendente es el comportamiento que exhibe un fluido polimérico al emerger de un orificio. En el caso del agua, ésta no se expande ni se contrae, pero un líquido polimérico puede "hincharse" y aumentar su sección  transversal ¡hasta por un factor de cinco! De hecho, este efecto podemos observarlo fácilmente al oprimir un tubo de pasta  dental.

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EFECTOS DE VÉRTICE VÉRTICE A LA SALIDA DE UN RECIPIENTE

Imaginemos que llenamos con agua un tubo relativamente ancho el cual está  conectado por uno de sus extremos a otro tubo de diámetro menor, y que dejamos que el agua fluya lentamente del primero al segundo cuando están colocados verticalmente. En el caso del agua no vemos otra cosa, aparte de que ésta aumenta su velocidad al pasar al tubo más angosto. En cambio, con el fluido polimérico observamos que se forman pequeños vórtices (remolinos) en la vecindad de la conexión entre ambos  tubos. Las partículas de fluido atrapadas en ellos nunca caen al tubo menor. ¡Qué magnífico espectáculo sería contemplar una  catarata producida por un flujo polimérico! Este efecto se muestra esquemáticamente en la figura.

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UEVAMENTE LOS EFECTOS DE MEMORI

Finalmente, otro efecto no menos impresionante se observa si en un tubo de ensayo que contenga un líquido arrojamos dos esferas, una después de la otra. En el caso del agua observamos que la segunda siempre precede a la primera y choca con ella. Inténtelo el lector con dos esferas no muy pesadas.

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UEVAMENTE LOS EFECTOS DE MEMORI

Pero si ahora repetimos la experiencia con un líquido polimérico, ocurre lo mismo si la segunda esfera se arroja inmediatamente después de la primera, pero para cada fluido existe un tiempo crítico después del cual ¡las esferas tienden a separarse mientras caen! Otra vez, el líquido percibe o guarda memoria del efecto producido por la perturbación inicial

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FLUIDOS NO NEWTO NEWTONIANOS NIANOS

LA VISCOSIDAD DEPENDE DEL  GRADIENTE DE LA VELOCIDAD

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INTRODUCCION A LOS FLUIDOS NO NEWTONIANOS

Introducción. Lo que mostraremos en nuestro proyecto es cómo se comporta un fluido no newtoniano a partir de la mezcla de agua y maicena que en proporciones adecuadas se convertirá en fluido no newtoniano El conocimiento de los fluidos no newtonianos permitirá demostrar el comportamiento de estos fluidos a través del experimento de maicena con agua, conociendo sus propiedades y sus diferentes fenómenos.

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Ley de la viscosidad En 1697, sir Isaac Newton escribio su famoso Philosophiae Neturalis Principia Mathematica en la que expresó su idea de un fluido ideal. resistencia que surge de la falta de  deslizamiento originario de un fluido, en  igualdad de condiciones, es proporcional a la  velocidad de que las partes del fluido están  siendo separados entre  si” 

“La

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Ley de la viscosidad

Fig. Nº1- Deformación de un elemento fluido

A los fluidos cuya relación entre tensión-- velocidad de deformación no es proporcional, se los ha denominado fluidos no-newtonianos

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Ejemplos Pueden mencionarse, entre otros ,los siguientes fluidos nonewtonianos: Pinturas y barnices. • • • • • • •

•

Soluciones de polímeros. Mermeladas y jaleas. Mayonesa y manteca. Dulce de leche y la miel. Salsas y melazas. Soluciones de agua con arcillas y carbón. La sangre humana.

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Fluidos no newtonianos Fluidos pseudoplásticos: pseudoplásticos : adisminuye al aumentar el gradiente de velocidad. 

Fluidos dilatantes: dilatantes: aaumenta con el gradiente de velocidad. 

 = - a

dVx dz

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Fluidos no newtonianos Plástico ideal o de Bingham: hasta que no se alcanza una determinada tensión rasante ( 0) no hay deformación del fluido, luego se comportan como fluidos newtonianos 

Plástico real: hasta que no se alcanza una determinada tensión rasante ( 0) no hay deformación del fluido pero luego no se comportan como fluidos newtonianos 

( 0): tensión de fluencia

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REGÍMENES DE CIRCULACIÓN DE UN VelocidadFLUIDO del fluido

Dependencia

Propiedades del fluido Presencia de cuerpos sólidos

Régimen laminar: 

Bajas velocidades de fluido

Transporte molecular ordenado: partículas desplazándose en trayectorias paralelas. 



Régimen de transición.



Régimen turbulento: 

Altas velocidades de fluido

Transporte molecular turbulento: partículas y porciones macroscópicas del fluido se entremezclan al azar desplazándose 

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REGÍMENES DE CIRCULACIÓN DE UN FLUIDO

Perfiles de velocidad en  régimen laminar y  turbulento 

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REGÍMENES DE CIRCULACIÓN DE UN Experimento de Reynolds para determinar el  FLUIDO tipo de flujo de un fluido 

El régimen de flujo se determina mediante la siguiente expresión empírica: 

 Número de Reynolds (Adimensional): Re

Conducciones cilíndricas Re  ≤  2 000 ( Régimen Régimen 2 000

≤ 

 )  laminar 

Re  ≤ 4 000 (Transición) 

Re  ≥ 4 000 ( Régimen Régimen

turbulento  ) 



V   D  

V: velocidad del fluido (m/s) ; D: diámetro de la conducción (m); : viscosidad cinemática del fluido (m2/s).

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ð

REGÍMENES DE CIRCULACIÓN DE UN FLUIDOespecífico suelen En un proceso de conducción

coexistir las dos condiciones límites de flujo: laminar y turbulento ð

Se introduce el concepto de subcapa laminar 

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Definición de la velocidad de un fluido elocidad d media me dia (V): Definida en función del caudal Velocida

volumétrico

(Qv).  Medida experimental: V 

Qv

S    r 2



S 



 

4



 D 2

S: área de la sección transversal que atraviesa el fluido

elocidad d eficaz efi caz (V e ): Definida en función de la energía cinética. Velocida  E 

c

1 

2

m V 

2

e

2 V e



2   Ec 

m

Parámetro : relaciona V e y V. V 

 



2

2 V e

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TIPOS DE FLUJO (en función de la densidad)

Incompresible: la densidad es constante con la

presión, líquidos. Compresible: la densidad es función de la presión Flujo interno de fluidos

Implica consumo y aporte de energía Cantidad de energía necesaria para transportar  un fluido entre diferentes puntos de una instalación.



Las pérdidas de carga por rozamiento en el  interior de la conducción . 