MECÁNICA DE CHORROS Y CHIMENEAS.docx

5. MECÁNICA MECÁNICA DE CHORRO CHORROS S Y CHIME CHIMENEA NEAS S 5.1. CHORROS LI LIBRES 5.1. 5.1.1. 1. De Defin finic ició ión: n:  Un chorro libre es considerado como un flujo flui luido que fluye uye desde un conducto hacia una zona relativamente grande que contiene fluido, el cual tiene una velocidad respecto al chorro que es paralela a la dirección del flujo en el chorro. 5.1.2.. Caracterí 5.1.2 Caracterítica tica  !e" c#$rr c#$rr$ $ "i%re: "i%re: Considerando el caso de un fluido que sale de una tobera a la atmósfera con flujo subsónico. subsónico. La presión de salida para tales flujos debe ser la de la atmósfera que lo rodea. Si la presión de la atmósfera fuera inferior que la del chorro, tendra lugar  all una e!pansión natural del mismo. "ste hecho disminuira la velocidad en el chorro, de acuerdo con la teora del flujo isoentrópico, y, por consiguiente, crecera necesariamente la pres presió ión n en el chor chorro ro,, agra agrava vand ndo o m#s m#s la situac situació ión. n. Una Una continuación de de este evento evento sera catastrófica. catastrófica. $or otra parte, si se considera la hipótesis de que la presión de la atmósfera sea sea supe superi rior or a la del del chor chorro ro,, tend tendr# r# luga lugarr ento entonc nces es una una cont contra racc cció ión n del del chor chorro ro de acue acuerd rdo o con con la teor teora a del del flujo flujo isoentrópico, y un incremento de velocidad, esto producira una disminución posterior en la presión del chorro, agravando de nuevo la situación. Cualquiera de estas dos suposiciones conlleva a una inestabilidad en el flujo del chorro. $uesto que se sabe que el chorro subsónico libre es estable, se puede concluir que la presión del chorro es igual a la presión que lo rodea. rodea. Sin embargo, embargo, si el chorro chorro emerge supersóni supersónicamen camente, te, la presión de salida no necesita ser igual a la presión de los alrededores. $uede ajustarse la presión de salida salida a la presión e!te e!teri rior or,, medi median ante te una una suce sucesi sión ón de onda ondass de choq choque ue y e!pansiones oblicuas, para el caso bidimensional o de ondas cónicas similares en el caso sim%trico tridimensional. 5.1.&.. C$ni!era 5.1.& C$ni!eraci$ne ci$ne 'enera"e 'enera"e:: Los orificios intervienen en el dise&o de muchas estructuras hidr hidr#u #ulilica cass y para para la medi medida da o afor aforo o de los los flui fluido doss que que escurren. 'rificio, es cualquier abertura que tiene un permetro cerrado y que se hace en un muro o división. división. Sus formas son son muy variadas, aunque los m#s empleados son los circulares y rectangulares. Se considera un orificio de pared delgada a aque aquell en dond donde e una una plac placa a o pare pared d de espe espeso sorr pequ peque& e&o o medible ha sido taladrada por un agujero y se a producido una arista aguda bien definida en la superficie interior de la placa. ()er ()er figuras * y +.

"l gasto asto de la desca escarg rga a de un orif orific icio io depe depend nde e de la naturaleza de sus aristas u orillas, y con el objeto de comparar  el func funcio iona namie mient nto o de los los orif orific icio ioss que que tien tienen en dife difere rent ntes es di#met di#metros ros,, es necesa necesario rio que estas estas arista aristass est%n est%n formad formadas as similarmente.

-ig.* -ig.+ Cualquier fluido que escurra a trav%s de un orificio que tenga una pared pared delgada delgada presenta presenta las siguientes siguientes caracterstica caractersticas s conforme la corriente sale del orificio, gradualmente se contrae para formar un chorro cuya #rea de sección transversal es menor que que la del orificio orificio.. "sto se debe debe al hecho hecho de que que las partculas separadas, estando pró!imas a la pared interior, tienen un movimiento a lo largo de esa pared hacia el orificio, que no puede cambiarse bruscamente en dirección a la arista de %ste. La cont contra racc cción ión no se comp comple leta ta hast hasta a que que se alca alcanz nza a la sección ab (fig.*, y en este punto los recorridos de la corriente se considera que son paralelos y la presión es la de la atmósfera circundante cayendo entonces libremente todas las

partculas bajo la acción de la gravedad. "n la corta porción del chorro entre las aristas del orificio y el lado ab, la presión ser# mayor que la atmosf%rica, porque las partculas se mueven en recorridos curvados y deben ser accionadas por  presiones centrpetas de mayor intensidad que la de la atmósfera. /l plantearse la ecuación de 0ernoulli entre dos puntos, uno en el plano del orificio y el otro en el plano ab, se establecer# este mismo hecho. Como las cargas potenciales son iguales y la carga de velocidad en el primer punto mencionado es menor que en el segundo, se deriva que la carga de presión en el orificio es mayor que en la sección contrada. La figura 1 representa un orificio en el lado de un gran depósito que tiene una carga h, sobre su centro. Con esta carga mantenida constante por un escurrimiento de entrada /, considerando que la superficie del depósito sea grande en comparación con la del orificio, no tendr# una velocidad apreciable significativa. 2espreciando la fricción, el teorema de 0ernoulli planteado entre un punto 0, y el centro del chorro en la sección contrada, muestra que

 

-ig.1

3eorema de 0ernoulli

ó (* "ste valor de ( puede ser llamado de la (e"$ci!a! i!ea" !e a"i!a, sin considerar la fricción (+

y la razón para darle el nombre de car'a !e (e"$ci!a! a la ecuación (+ en el teorema de 0ernoulli es aparente. "sta es la carga que producir# la velocidad (. La ecuación (* da la velocidad ideal de salida sin consideración a la naturaleza del lquido, y no se aplica a un fluido compresible, porque el peso especfico cambiara entre el punto 0 y C.

 

-ig.4

"l orificio considerado se encuentra en un plano vertical y, e!puesto a una carga que vara ligeramente sobre el orificio (fig.4. "l chorro, consecuentemente est# compuesto de partculas con velocidades ligeramente variables, y el valor de v, obtenido por la ecuación (*, no representa la velocidad media del chorro. La representara si las velocidades variaran directamente como las cargas que las causan5 pero %stas varan con las races cuadradas de estas cargas, razón por la cual la figura 4 es una par#bola con v%rtice en la superficie del depósito, y un eje vertical. 2e la figura se observa que la variación de la velocidad a trav%s de la sección transversal del chorro ser# mayor conforme disminuye h, y para cargas muy

peque&as el valor medio de la velocidad ideal no est# dado por la ecuación (*. Sin embargo, si la carga es grande en relación con la dimensión vertical del orificio el error ser# despreciable. Con un orificio en un plano horizontal, todas las partes de %ste est#n bajo la misma carga y la velocidad ideal de todas las partculas en el chorro es la misma. Como la velocidad ideal, debida a una carga, es la misma que cuando la partcula hubiera cado libremente a trav%s de la misma altura, se esperara que, si el orificio fuera horizontal y el chorro se dirigiera hacia arriba (figura 6, esta subira a una altura igual a la carga que lo produjo (despreciando toda la fricción.

 

-ig.6

C$eficiente !e (e"$ci!a!: )c(* "!perimentalmente se ha comprobado que la velocidad media de un chorro de un orificio de pared delgada, es un poco menor que la ideal, debido a la viscosidad del fluido y otros factores tales como la tensión superficial. "n la pr#ctica se tiene

2ónde Cv es el coeficiente de velocidad g es la gravedad

"l valor num%rico de Cv para el agua y lquidos de viscosidad similar es ligeramente menor que la unidad, y tiene su valor  mnimo para cargas bajas y di#metros peque&os5 para un di#metro de 7 de pulgada y una carga de un pie, Smith y 8al9er encontraron que su valor es de :.;64. Conforme aumentan el di#metro o la carga, el coeficiente aumenta. $ara un di#metro de +.6 pulg. y una carga de , para un orificio de 7 de plg con un pie de carga, hasta :.++EimpactoKdeK chorroKsobreKsuperficie_force`seo TBS3T3U3' 2" IT2=ULTC/ /J0T"B3/L (TI C/B3/0=T/, C"B3=' 2" "S3U2T'S 2" $U"=3'S  C'S3/S (C"2", Q3eora de chorros y plumas hiperdensasR. 2isponible en httpEEPPP.medvsa.esE$2-E-TCI/+:2"+:3"'=C1>2/+:2" +:CI'=='S+:+:$LUJ/S`J"2)S/.pdf  C"2", Q/sistencia t%cnica en la evaluación de impacto ambiental de vertidos lquidos y de actuaciones en el medio marinoR5 Jadrid, noviembre de +:**. 2isponible en httpEEPPP.magrama.gob.esEesEcalidadKyKevaluacionK ambientalEpublicacionesE+:K4:;K6K ::*``sistemaproteccionvertidosdesaladoras`nov+:**`tcmMK+*M;>;.pdf  $" '=3"O/, "las5 Q/n#lisis del dise&o de una chimenea solarR, Universidad Carlos TTT de Jadrid, +:**. 2isponible en httpEEeK archivo.uc1m.esEbitstreamEhandleE*::*