INFORME FINAL-MECANICA DE FLUIDOS- GRUPO 2-I-24.pptx

MECANICA DE FLUIDOS

1. TEMA: HIDRÁULICA DE TUBERÍAS DOCENTE: REYES PEREZ, WILLIAM WILFREDO CURSO: MECÁNICA DE FLUIDOS AUTORES: CAMPOS TOGAS, CRISTHIAM EDWIN HERNANDEZ HUAYNA, HUBER EDUARDO PAUCAR FERNANDEZ, YULI JOHANA RUIZ RAMOS, JOSÉ MIGUEL SIPION LOPEZ, LUIS FRANK FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIER ÍA CIVIL

2. Evidencias del desarrollo del informe: Los acuerdos se tomaron en reuniones virtuales mediante la plataforma zoom y grupo de trajo de WhatsApp.

3. HIDRÁULICA DE TUBERÍAS La hidráulica de tuberías es un campo fundamental en la ingeniería civil, ya que nos permite el estudio del comportamiento de los fluidos en sistemas de tuberías , lo cual es crucial para comprender el transporte de agua , así como otros líquidos , a través de tuberías en una variedad de aplicaciones , desde sistemas de suministro de agua hasta procesos industriales .

4. TIPOS DE FLUJOS EN FLUIDOS El flujo en fluidos se refiere al movimiento de un fluido, como líquidos o gases. El flujo en una tubería se puede determinar de la siguiente manera: Desplazamiento de una partícula de fluido Velocidad de una partícula de fluido en un punto del campo de flujo Aceleración de una partícula en un punto del campo de flujo Los principales tipos de flujos son: Flujo real Fuljo ideal Flujo adiabático Flujo laminar Flujo turbulento Flujo de transición Flujo permanente o estacionario  Flujo no permanente  Flujo uniforme Flujo Bidimensional Flujo variable Flujo Unidimensional Flujos de revolución

5. TIPOS DE FLUJO CON RESPECTO A LAS FUERZAS VISCOSAS Tipos de flujo con respecto a las fuerzas viscosas en un fluido: Flujo laminar:  Sucede cuando un fluido se mueve en capas paralelas, con un patrón de flujo suave y ordenado. Se caracteriza por tener un número de Reynolds bajo. Flujo turbulento:  En este caso, el fluido se mueve de manera caótica, con remolinos y cambios impredecibles en la velocidad y la presión. Se produce a altas velocidades y se caracteriza por un número de Reynolds alto. Las fuerzas viscosas son débiles comparadas con las fuerzas de inercia. Las partículas se mueven en recorridos irregulares.  Flujo de transición: Sucede cuando un flujo inicialmente laminar comienza a volverse turbulento debido al aumento de la velocidad o la rugosidad de la superficie.  En este tipo de flujo, el fluido puede alternar entre patrones laminar y turbulento.

6. NUMERO DE REYNOLDS El  número de Reynolds (Re) es un  numero adimensional   utilizado en   mecánica de fluidos y en   fenómenos de transporte  para caracterizar el movimiento de un  fluido . Su valor indica si el flujo sigue un modelo laminar o turbulento . DEFINICION Y USO El número de Reynolds se define como la relación entre las fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas presentes en un fluido. Este relaciona la densidad, viscosidad, velocidad y dimensión típica de un flujo en una expresión adimensional, que interviene en numerosos problemas de dinámica de fluidos.

7. EL comportamiento de un fluido ,particularmente con respecto a las perdidas de energía,resulta ser bastante dependiente de si el flujo es laminar o turbulento. Los flujos que tienen un numero de Reynolds grande, por lo general debido a asu alta velocidad y/o baja viscosidad ,tienden a ser turbulentos. Aquellos fluidos que tienden alta viscosidad y/o se mueven a bajas velocidades tendrán números de Reynolds bajos y tenderán a ser laminares. La formula de numero de Reynolds toma una forma diferente cuando se considera secciones transversales no circulares, canales abiertos y flujo de fluidos alrededor de cuerpos sumergidos. NUMERO DEREYNOLDS

8. NUMERO DE REYNOLDS CRITICOS Para las aplicaciones practicas en cuanto al flujo en tuberías,se encuentra que si el numero de Reynolds para el flujo es menor que 2000,el flujo será laminar Si el numero de Reynolds es mayor que 4000 , se puede suponer que el flujo es turbulento. En el rango de números de Reynolds comprendidos entre 2000 y 4000 ,resulta imposible predecir que tipo de flujo existe, por lo tanto a este rango se le llama región critica, el conducto es hidráulicamente un canal.

9. CONDUCCION REFORZADA Definición y concepto previos: Las conducciones forzadas o tuberías a presión son aquéllas que funcionan a plena sección y en las que el movimiento del líquido se debe a la presión reinante en el interior, pudiendo presentar por tanto, pendientes y contrapendientes. Los accesorios pueden ser : Piezas especiales : Unidades que posibilitan los empalmes, cambios de dirección (codos), derivaciones, variaciones de sección, etc. Dispositivos auxiliares : Aparatos que protegen y facilitan el buen funcionamiento de la red. Los más importantes son las válvulas y las ventosas.

10. TIPOS DE VALVULAS Las válvulas pueden clasificarse en función de diferentes criterios, siendo los mas comunes los siguientes: Desde el punto de vista accionamiento: Manuales : Válvulas de esfera : Es el dispositivo que permite la apertura y el cierre su forma es esférica. Válvulas de asiento : El elemento de cierre es un disco que se asienta sobre el cuerpo de la válvula. Válvulas de mariposa : El elemento de cierre es un disco giratorio que puede ser accionado mediante una palanca o un tornillo sinfín. Válvulas de compuerta : La válvula se cierra mediante una compuerta accionada mediante un volante. Automáticas Válvulas hidráulicas : Se accionan hidráulicamente, pudiendo ser de dos tipos: normalmente abiertas y normalmente cerradas. Electroválvulas : Se accionan de forma eléctrica, y son típicas de instalaciones automatizadas en las que el riego se programa por tiempos. Desde el punto de vista de la función que realizan : Válvulas de regulación o llave de paso . Son unidades que permiten estrangular o interrumpir el paso de una corriente líquida. Válvulas de retención : Dispositivos que consisten en una compuerta giratoria, cuya apertura se produce al paso de líquido y su cierre es por gravedad, impidiendo el retroceso.

11. Ventosas: Son unas válvulas que permiten la salida del aire que se acumula en las conducciones de agua . Presiones: Presión de prueba en fábrica o presión de fábrica (PF): es aquella presión sobre la que se timbran y clasifican los tubos comerciales, que habrán de superar en fábrica sin romperse ni acusar falta de estanqueidad. Presión nominal (PN): Aquélla por la que se conoce comercialmente y que sirve para clasificar y timbrar los tubos. Presión de rotura (PR): Aquélla a la cual se rompe la tubería. Presión de trabajo (PT): Máxima presión a la que se recomienda que trabaje el tubo. Presión de servicio (PS): Presión a la que efectivamente se hace trabajar la tubería. Siempre debe ser menor o igual que la presión de trabajo.

12. ECUACIÓN DE DARCY Un componente de la pérdida de energía en el fluido que fluye. Para el caso de del flujo en tuberías y tubos, la fricción es proporcional a la carga de velocidad de flujo y a la relación de la longitud sobre el diámetro de la corriente de flujo. Esto se expresa matemáticamente como la ecuación de Darcy: Donde: ℎ𝑓 = 𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑑𝑒𝑏𝑖𝑑𝑜 𝑎 𝑙𝑎 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖 ó 𝑛 𝐿 = 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜,[𝑚, 𝑓𝑡] 𝐷 = 𝑑𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎,[𝑚, 𝑓𝑡] 𝑉 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜,[𝑚⁄𝑠 , 𝑓𝑡⁄𝑠] 𝑓 = 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖 ó 𝑛,[𝑎𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙]

13. La ecuación de Darcy se la puede utilizar para el cálculo de la pérdida de energía debida a la fricción en las secciones rectas y largas de tubería redonda, tanto para el flujo laminar como para el turbulento. La diferencia entre los dos flujos reside en la evaluación del factor de fricción adimensional f, para cada flujo el factor fricción son los siguientes: La relación 𝐷/𝜀 , es la rugosidad relativa entre el diámetro de la tubería y la rugosidad del material de la tubería, dicha relación es útil para la utilización del diagrama de Moody ”

14. ECUACIÓN DE HAZEN Y WILLIAMS donde: v= Velocidad del flujo R= Radio hidráulico (Área/ Perímetro mojado de la tubería) S= Pendiente de la línea de gradiente de energía. C= Coeficiente de Hazen-Williams (adimensional). Es importante resaltar que el 0.849 es una contante utilizada y puede ser cambiada a 1.318 para el Sistema Inglés de Unidades. Esta ecuación es de rápida solución y es explícita para la velocidad del flujo, lo que la hacía extremadamente útil para diseñar antes de la llegada de los medios de cálculo computacionales. Es una de las fórmulas más populares para diseñar y analizar el sistema de agua. Su aplicación se limita al flujo de agua en tuberías con diámetros más grandes que 5 centímetros aproximadamente y menores a 2 metros aproximadamente. La velocidad de flujo no debe exceder de 3 m/s aproximadamente, y su uso está desarrollado a una temperatura de 16 °C del agua, si fuese una temperatura más alta o baja da lugar a algún error. Coeficientes de rugosidad de Hazen - Williams

15. S e lo puede definir como un conjunto de tuberías, tanques, accesorios y máquinas hidráulicas, acoplados de diversa forma con el propósito de transportar fluidos. 1: Sistema de tuberías en Serie : Las tuberías en serie son dos o más tuberías distintas colocadas una a continuación de la otra, las cuales pueden diferenciarse en los diámetros o en las rugosidades o bien en ambas características físicas. E squema de tuberías en serie que conectan a dos tanques. Dicho esquema se utilizará para plantear las ecuaciones que rigen en el flujo de tuberías en serie. SISTEMAS DE TUBERÍAS

16. S e puede plantear las siguientes ecuaciones: Conservación de la energía: 𝐻𝑇 = 𝑍1 − 𝑍2 = ℎ𝑒 + ℎ𝑓1 + ℎ𝑚1 + ℎ𝑓2 + ℎ𝑚2 + ℎ𝑓3 + ℎ𝑚3 + ℎ𝑠 Donde: 𝐻𝑇: 𝑑𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑛𝑖𝑣𝑒𝑙 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒𝑠 ℎ𝑒: 𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑚𝑒𝑛𝑜𝑟𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 ℎ𝑓𝑖: 𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖 ó 𝑛 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑡𝑢𝑏𝑜 ℎ𝑚𝑖: 𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑚𝑒𝑛𝑜𝑟𝑒𝑠 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑠𝑜𝑟𝑖𝑜 ℎ𝑠: 𝑝é𝑟𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑚𝑒𝑛𝑜𝑟𝑒𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 Sistema de tuberías en serie. Conservación de la masa (continuidad) La siguiente ecuación representa que el caudal total que pasa por el sistema es igual al que circula por cualquier tubería más todos los caudales laterales en las uniones localizadas aguas arriba de ésta. Para una serie de n tuberías”. 𝑄𝑇 = 𝑄1 = 𝑄2 + 𝑄𝐿1 = 𝑄3 + 𝑄𝐿1 + 𝑄𝐿2

17. Son un conjunto de tuberías que parten de un nudo común y llegan a otro nudo también en común. 2: Tuberías en Paralelo: Sistema de tuberías en paralelo. se puede plantear las siguientes ecuaciones: Conservación de la Energía: ℎ1 − ℎ2 = 𝐻𝑇 = ℎ𝑓1 + ℎ𝑚1 + ℎ𝑓2 + ℎ𝑚2 + ℎ𝑓3 + ℎ𝑚3 + ℎ𝑓4 + ℎ𝑚4 + ℎ𝑓5 Ec . 37 Para la tubería 1, donde: ℎ𝑓𝑖 = 𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖 ó 𝑛 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑡𝑟𝑎𝑚𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎 𝑖 ℎ𝑚𝑖 = 𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑠𝑜𝑟𝑖𝑜𝑠 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑡𝑟𝑎𝑚𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎 𝑖 𝐻𝑇 = 𝑑𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑛𝑜𝑑𝑜𝑠 1(𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙) 𝑦 2(𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙) Conservación de la masa (continuidad) 𝑄𝑇 = 𝑄1 + 𝑄2

18. Considerada la red cerrada en la imagen y tomando en consideración que QD1, QD2, QD3, QD4,…, QDNU, son los caudales consumidos en cada uno de los nodos, algunos de los cuales podrían tener un valor igual a cero en un momento dado, y que Qe1, Qe2, Qe3,…, Qem , son los caudales que alimentan la red de distribución, se puede establecer la siguiente ecuación: 3. Redes Cerradas Donde Nu es el número de nodos que existen en la red. Sistema de red cerrada Ecuación de conservación de la masa

19. Ejercicios propuestos

20. Ejercicio 1: Determina la pérdida de carga en una tubería de PVC de 100 m de longitud y 200 mm (0.2 m) de diámetro, con un caudal de 0.03 m³/s. Utiliza el coeficiente de fricción C de Hazen-Williams para PVC, que es 150. Datos: Longitud de la tubería (L): 100 m Diámetro de la tubería (D): 0.2 m Caudal (Q): 0.03 m³/s Coeficiente de Hazen-Williams (C): 150

21. Ecuación de Hazen-Williams: La fórmula de Hazen-Williams para calcular la pérdida de carga ( hf ​) en metros de agua es: Donde: Hf es la pérdida de carga en metros L es la longitud de la tubería en metros D es el diámetro de la tubería en metros Q es el caudal en metros cúbicos por segundo C es el coeficiente de Hazen-Williams, sin unidades

22. Solución Reemplazar los valores en la fórmula : Reemplazar estos valores en la ecuación : Resultado final : Respuesta: La pérdida de carga en la tubería de 100 m de longitud y 200 mm de diámetro con un caudal de 0.03 m³/s y un coeficiente de Hazen-Williams de 150 es aproximadamente 0.388 metros de agua.

23. NOTA: Si te dan la velocidad, puedes convertirla a caudal utilizando el área de la sección transversal de la tubería. La relación entre la velocidad del agua (V) y el caudal (Q) está dada por la ecuación: Q=A⋅V Donde: • Q es el caudal (volumen de agua que pasa por unidad de tiempo), en metros cúbicos por segundo (m³/s). • A es el área de la sección transversal de la tubería, en metros cuadrados (m²). • V es la velocidad del agua, en metros por segundo (m/s). Entonces, para convertir la velocidad del agua a caudal, simplemente multiplicamos la velocidad por el área de la sección transversal de la tubería. Si tienes el diámetro de la tubería (D), puedes calcular el área (A) utilizando la fórmula del área de un círculo:

24. D= µ= ν = ?

25.   Datos: