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ESTUDIO HIDRODINÁMICO POR CFD DEL CASCO DE UNA LANCHA MOTORA - PDF
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Gabriel Poblete Sevilla
1 ESTUDIO HIDRODINÁMICO POR CFD DEL CASCO DE UNA LANCHA MOTORA Proyecto Final de Carrera para optar al título de Licenciatura en Máquinas Navales por JORDI BARTRONS I CASADEMONT Asesor Marcel la Castells i Sanabra FACULTAT DE NÀUTICA DE BARCELONA, UPC Barcelona, Junio2 23 TABLA DE CONTENIDOS LISTA DE TABLAS 5 LISTA DE FIGURAS 6 RESUMEN 8 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Objetivos Limitaciones La Lady Desglose de la resistencia hidrodinámica TEORIA DE CFD APLICADO A PROBLEMAS MARINOS Ecuaciones fundamentales Conservación de la masa Conservación de la cantidad de movimiento Ecuaciones de Navier-Stokes para un fluido newtoniano e incompresible La turbulencia y su asunción en las ecuaciones de N-S. Las RANSEs Modelos de turbulencia Modelización numérica para superficies libres METODOLOGÍA Modelo CAD Geometría del dominio computacional Mallado Generación de la malla Control de calidad El software FLUENT Setup Multiphase y modelo de turbulencia Condiciones iniciales y de frontera Tipo de simulación y parámetros de control 63 34 4. SIMULACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS Estudio de sensibilidad de la malla Simulación en Steady State Patrón de olas Resistencia Contornos de velocidad Contornos de presión y fuerza Centro de presiones y momento del CG Contornos de esfuerzos viscosos y turbulencia Simulación a tiempo real CONCLUSIONES TRABAJO FUTURO Ampliación de la investigación Canal de ensayo REFERENCIAS 105 45 LISTA DE TABLAS Título Página 1. Formulación de las RANSEs Ejemplos de modelos de turbulencia según el nº de ecuaciones adicionales Principales dimensiones incluyendo la línea de flotación Datos de la malla final Parámetros de control de calidad Desplazamientos de la Lady Los diferentes casos para las simulaciones Propiedades de los fluidos participantes Parámetros de las condiciones de frontera impuestas Refinamiento de la malla Observaciones en la formación de olas Valores de resistencia obtenidos Algunos rangos de las Delft Systematic Series Líneas de flotación y superficie mojada para Lady 1 y Valores de fricción calculados Centro de presiones hallado por FLUENT Etapas realizadas para la simulación a tiempo real Comparación de los resultados de Rt en SS y Transient Comparación de la Rf calculada con los valores de FLUENT SS y Transient Comparación de Rr y Rf para las simulaciones en SS y Transient 92 56 LISTA DE FIGURAS Título Página 1. SRV 220 Overnighter [1] Típicas formas de casco para las series 62 [3] Desglose de la resistencia de un casco por Hughes y Froude [4] Transición de régimen laminar a turbulento Elemento del fluido para las leyes de conservación [5] Caudales másicos entrando y saliendo del elemento [5] Recorrido de una partícula en movimiento [6] Esfuerzos cortante y normal [7] Componentes de fuerza en la dirección x [5] Diferentes tamaños de eddies formados como consecuencia del flujo turbulento 26 por CFD [Website Imperial College London] 11. Descomposición de Reynolds de la velocidad en un punto Diferencia de contornos de intensidad de turbulencia. DNS (arriba) y RANS 30 (abajo) [8] 13. Escalado en la resolución y modelado para los diferentes métodos [8] Representación de la fracción de volumen para dos fases [9] Distribuyendo las secciones facilitadas por [1] Diseñando el modelo en Catia v Plano con las dimensiones principales del modelo CAD Variando el asiento Dimensiones del dominio desde el Origen en el plano XY, con la línea 39 discontinua mostrando la Lwl 20. Dimensiones del dominio computacional desde el plano XZ Tipos de elementos principales en una malla Identificación de nodos para una malla estructurada [12] Localización de los elementos en una malla no estructurada [13] Nomenclatura de localización para una malla no estructurada [13] Diferentes vistas del mallado no estructurado Boddy Fitted (izq.) vs CutCell (der.) Encontrando las celdas de corte: localizando los puntos de intersección de un 46 segmento en la generación de una malla cartesiana [14] 28. Malla FS ordenada en el plano XY Capa límite con regimen laminar y turbulento [NASA Website] Capa de prismas con inflación desde la superficie del casco Diferentes vistas del mallado final En general se recomienda que el cambio no sea mayor al 20% Determinación del Aspect Ratio Evaluando el rango de Skewness en la malla Midiendo la calidad ortogonal Evaluando la calidad con el control ortogonal Diagrama de flujo para el algoritmo acoplado Representación de las dimensiones del dominio multifásico 61 67 39. Vista general del dominio con las condiciones de frontera Comparación de una malla pobre con una refinada Estudio de sensibilidad de la malla Evolución de la resistencia con el refinamiento de la malla Comparación del perfil de olas en el casco para tres tipos de malla Residuales en la simulación Convergencia con el balance de caudal másico Reproducción de la altura de la superficie libre en (2, 0.4 y 1.5) respecto al 71 origen 47. Representación de la superficie libre con las linias de la malla Comparación del patrón de olas generado por los casos de Lady A1 (arriba), B1 73 (medio) y C1 (abajo) 49. Comparación del patrón de olas generado por los casos de Lady A2 (arriba), B2 75 (medio) y C2 (abajo) 50. Vista general de la solución de Lady C Polilínea mostrando la superficie libre a través del casco en Lady C Comparación del perfil de olas en el casco para Lady A1, B1 y C Comparación del perfil de olas en el casco para Lady A2, B2 y C Tendencia general de la resistencia respecto a la velocidad de avance Comparación de los valores de Rf entre los calculados y obtenidos por 83 FLUENT. Para Lady 1 (arriba) y Lady 2 (abajo) 56. Desajuste de los valores calculados respecto a los obtenidos por FLUENT Contornos de velocidad para Lady C1 (arriba) y C2 (abajo) Contorno de presión dinámica en Lady C Contornos de impacto del agua contra el casco en Lady C1. Global (arriba) y 87 fuerza de sustentación (abajo) 60. Centro de Gravedad y de Presión de Lady A2 en Catia Representación de los esfuerzos cortantes en el casco en Lady C Gradiente de velocidad en la capa límite [4] Generación de la estela central turbulenta en Lady C Comparación de la energía cinético-turbulenta de Lady C1 y C2 mostrando la 91 anomalía comentada en los perfiles de ola de la sección Contornos de intensidad turbulenta en los vórtices de la estela de Lady C1, 91 mostrando la obra viva 66. Residuales por intervalo de tiempo y convergencia Evolución de la estela entre 12 y 20 segundos Comparación entre los perfiles de ola en el casco de Lady B1 SS y Transient Se extrajeron los valores de resistencia para cada intervalo de tiempo. El 96 gráfico de abajo muestra una ampliación de los últimos 8 segundos. 70. Estela generada como consecuencia de los 12 nudos de velocidad de avance Vista general de la superficie la Lady para Fn = Canal de ensayo en funcionamiento [Southampton University Website] 103 78 RESUMEN Esta tesis expone un estudio detallado de la preparación, ejecución y análisis de los resultados obtenidos en una serie de simulaciones por CFD del comportamiento en la interacción casco-fluido de una embarcación de pre planeo, proporcionando una posible validación hidrodinámica fuera de las pruebas experimentales, así como una guía para simulaciones similares futuras de carácter académico, o una herramienta de consulta para otros campos. Esta embarcación es la Lady, construida en los años setenta y recuperada para realizar pruebas de eficiencia energética dentro de los límites del puerto. El objeto principal de trabajo ha sido seis simulaciones con diferentes velocidades y líneas de flotación de modo que se pueda adquirir un estudio lo bastante completo. El autor ha desarrollado el objeto planteado en la generación de un modelo en 3D representando el casco desnudo de la Lady, cubriéndolo de un dominio para que el fluido pueda simularse juntamente con la imposición de unas condiciones en sus bordes y fronteras. Se ha realizado un mallado de suficiente calidad para capturar el efecto del fluido en las proximidades del casco, seguido de un set up en el software de simulación numérica. Debido a las limitaciones de velocidad del puerto los números de Froude empleados han sido bajos comparados con las altas velocidades más características para este tipo de embarcación. Los promedios de nº de Reynolds en toda la superficie mojada para todos los casos planteados han sido mayores del orden de por lo que ya se prevé un flujo turbulento en la mayoría de la región ocupada por el casco. La selección de un modelado de turbulencia adecuado ha tenido un gran peso en la preparación del problema. Los resultados obtenidos han tenido que ser analizado y debidamente interpretados para entender sus funciones en las leyes de la física, y de esta manera sacar unas conclusiones apropiadas. El presente trabajo corrobora la enorme capacidad de simular los efectos físicos reales a efectos prácticos que tiene la ciencia de la dinámica de fluidos computacional para aplicaciones de la ingeniería de fluidos. 89 CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN La dinámica de fluidos es la ciencia que estudia el movimiento de un fluido. Ésta siempre ha utilizado dos vías de acción: la teoría y los experimentos, y no ha sido hasta el transcurso del siglo XX que empezó a desarrollarse una tercera vía: por métodos numéricos: CFD (Computational Fluid Dynamics). Una de las primeras simulaciones numéricas data de 1953, cuando M. Kawaguti obtiene la solución del flujo alrededor de un cilindro a muy bajas velocidades usando una calculadora mecánica de sobremesa, trabajando 20 horas a la semana durante 18 meses, citando en efecto ha sido una cantidad de trabajo y esfuerzo considerables. La mayoría de los fluidos en la naturaleza tienen un carácter caótico, impredecible. Es por esto que no ha sido sino en las últimas décadas que se ha podido predecir el comportamiento de fluidos en movimiento mediante métodos numéricos de una manera más o menos aproximada. Para aplicaciones de interés en los diferentes campos de la ingeniería, como es el flujo alrededor del casco de un buque o un avión, se han desarrollado modelos de turbulencia capaces de representar las fuerzas viscosas contribuyentes a la resistencia total en las vecindades de la superficie del cuerpo. El desarrollo de estas simulaciones numéricas ha representado un gran avance para el mundo de la ingeniería, usando los resultados extraídos de CFD para mejorar todo tipo de diseños conceptuales, mejora en el detalle del producto, así como un rápido acceso en la resolución de problemas o la necesidad de rediseño. Los análisis por CFD actualmente son un complemento indispensable en cualquier prueba o experimento de cualquier tipo, ya sea de canal de ensayo, reacción química, instrumentación, impactos, etc. Su gran contribución es la reducción del esfuerzo total requerido en el laboratorio. 910 1.1 Objetivos El presente trabajo tiene como objetivo realizar un estudio hidrodinámico por dinámica de fluidos computacional del casco de la embarcación Lady. Los objetivos principales son los siguientes: Realizar una aproximación del casco real mediante una reconstrucción del modelo en CAD. Hacer una preparación del problema planteado en el software a utilizar con previa familiarización. Enfocar el estudio especialmente a las técnicas de mallado disponibles. Realizar soluciones numéricas dependientes y no-dependientes del tiempo para diferentes condiciones iniciales alcanzando estabilidad y magnitudes bajas en los residuales para asegurar convergencia. Hacer un análisis de los patrones de ola generados y valores de resistencia obtenidos. Analizar las características del flujo alrededor del casco, como el choque, zonas de cambio en el gradiente de velocidad, etc. Extraer diferentes tipos de resultados comparándolos para la propia verificación. Con este estudio se pretende elaborar un documento que sirva de base para ver el comportamiento de la Lady en unas determinadas condiciones de trabajo, así como ver sus limitaciones de diseño. También se desea crear una referencia para motivar a próximos estudios y asignaturas de carrera universitaria que comprendan la dinámica de fluidos computacional, ya que este es un campo que poco a poco va ganando terreno en el mercado mundial y es una pena que no se trabaje como es debido en facultades como la del autor. 1.2 Limitaciones Cuando se habla de CFD hay tres factores claves en las limitaciones, estas son el software, el hardware y el usuario. Los software de hoy en día son muy avanzados, y FLUENT no presenta ninguna limitación en la proposición del estudio en cuestión. El autor ha utilizado un hardware de ordenador portátil, en el que como se puede ver en los siguientes capítulos ha restringido la elaboración de la malla y aumentado el tiempo empleado en las simulaciones. Esto no ha privado 1011 de la resolución de los diferentes casos expuestos, sin embargo sí que ha limitado el alcance y la precisión de las simulaciones comparado con las de carácter industrial. El conocimiento del autor en el campo de la teoría de dinámica de fluidos viene introducido por las asignaturas de Construcción Naval y Propulsión de la Diplomatura en Máquinas Navales y Mecánica de Fluidos II de la Licenciatura en Máquinas Navales, cursadas en la Facultad de Náutica de Barcelona en 2010 y 2013 respectivamente. Los conocimientos del concepto de CFD y el software empleado se han adquirido por medio del propio aprendizaje autodidacta y recursos bibliográficos, así como la participación de un proyecto con la Universidad Tecnológica de Panamá en La Lady La lady es una lancha motora bajo el modelo SRV Overnighter, construida en 1976 y diseñada por Sea Ray. La Asociación de Patrones de Yate, el Consorci el Far de Barcelona y la Universitat Politècnica de Catalunya han adquirido la embarcación para poder recuperarla en forma de laboratorio flotante. Se pretende hacer pruebas de propulsión eléctrica con ella, y testear varios dispositivos de recuperación de energía, ya sea térmica o causada por las olas. Figura 1 SRV 220 Overnighter [1] 1112 El modelo se trata de una embarcación de desplazamiento pequeña de alta velocidad, incluso de pre planeo (a velocidades muy altas) ya que cumple con la mayoría de las orientaciones fijadas por Savitsky 2003 [2]: Superficies poco convexas. Ángulos de bordes afilados en el fondo y las intersecciones con los lados. Ancha popa con borde de salida afilado. Líneas rectas horizontales en la parte baja de popa. Líneas de agua de entrada en la proa con ángulos pequeños. Formas de sección transversal en V con ángulo de astilla muerta aumentando a medida que se avanza hacia la popa. Figura 2 - Típicas formas de casco para las series 62 [3] 1.4 Desglose de la resistencia hidrodinámica de un casco La resistencia que ofrece un casco al avanzar por el agua puede desglosarse en dos componentes, según el enfoque de Froude: Resistencia de fricción: Es la suma de todas las componentes longitudinales de los esfuerzos cortantes actuando sobre la superficie del casco. Es debido a la viscosidad. 1213 Resistencia residual: Es la suma de las presiones desarrolladas por el empuje del agua durante el avance. Es debido a la presión de origen viscoso (forma del casco) y la formación de olas. Este enfoque, en los modelados de resistencia de buques en canales de ensayo, reconoció en primer lugar que la resistencia residual de un modelo podía escalarse para dar con la del buque a escala normal, utilizando el principio de similitud de Newton. Estipuló que la resistencia producida por la formación de olas dependía únicamente del nº de Froude: F n = v ( 1) g L wl Donde v es la velocidad del casco, g la aceleración de la gravedad, y L wl la eslora en la línea de flotación. La resistencia de fricción, sin embargo, sigue sus propias leyes y no puede tratarse de la misma manera. En vista de esto, Froude desarrolló una aproximación empírica a partir de un estudio con placas planas. Así, determinada la resistencia de fricción de un modelo, se sustrae de la resistencia total obtenida en el canal de ensayo para obtener la residual. Esta última es escalada para el barco en tamaño real, y la resistencia de fricción calculada empíricamente se añade para dar con la resistencia total del casco. La resistencia de fricción, influenciada por la viscosidad, depende únicamente del nº de Reynolds: R n = ρ v L wl μ ( 2) Donde ρ es ladensidad del fluido, v es la velocidad del casco, L wl la eslora en la línea de flotación y μ la viscosidad dinámica. Hughes hace una proposición en los años sesenta de corregir la hipótesis de las placas planas de Froude añadiendo un factor de forma (existen varios métodos para obtenerlo) y desglosando la resistencia total desde otro punto de vista. En resumen: 1314 Figura 3 - Desglose de la resistencia de un casco por Hughes y Froude [4] En definitiva, apelando al enfoque de Froude: R T = R F + R R ( 3) Y cualquier tipo de resistencia dependerá de unos parámetros fijados y de su propio coeficiente adimensional, por ejemplo en la total: R T = 0.5 ρ WSA v 2 C T ( 4) La obtención del coeficiente residual como ya se ha dicho se obtiene a partir un ensayo de canal (C r = C T C f ) y el coeficiente de fricción por formulación empírica a partir de la curva de regresión ITTC. El gran coste que comporta un ensayo de canal ha contribuido a la rápida evolución de modelos numéricos para poder predecir la resistencia con igual solvencia que un ensayo a escala. Es por esto que en los últimos años se han publicado centenares de estudios que comparan simulaciones numéricas con ensayos de canal; actualmente como ya se ha mencionado se tiene fijado en el punto de mira el modelado de la turbulencia y su balance entre el coste computacional y las predicciones físicas reales. En el software empleado, ANSYS FLUENT, la resistencia total se divide en resistencia viscosa (fuerzas tangenciales) y resistencia de presión (fuerzas normales). 1415 CAPÍTULO 2 TEORÍA DE CFD APLICADO A PROBLEMAS MARINOS En 1904 Prandtl demostró que los efectos de la fricción dentro del fluido están presentes sólo en una capa muy delgada cerca de la superficie, la denominada capa límite. Si la velocidad en un fluido es lo suficientemente alta, a medida que el tiempo avanza el flujo en esta capa experimenta un desorden, formándose remolinos sin sentido alguno, lidiando al llamado régimen turbulento. La transición de flujo laminar a turbulento se investigó por primera vez por Reynolds en 1883, haciendo experimentos de desarrollo del flujo de agua en conductos de vidrio, inyectando tinta como delator. Encontró que el estado de movimiento de un fluido podía determinarse únicamente por un parámetro adimensional que es, lógicamente, el famoso número de Reynolds. El R n es una medida de la relación entre las fuerzas de inercia y viscosas en el flujo, por lo que un alto R n viene a predecir un alto rango de las fuerzas de inercia. El comportamiento de un fluido es gobernado por las ecuaciones de Navier-Stokes, nombradas después de que sus autores las formularan en Éstas son ecuaciones diferenciales en derivadas parciales no lineales dependientes del tiempo, y solo existen algunas soluciones analíticas para estados de flujo simples. Para flujos turbulentos no existen soluciones analíticas por lo que se han de llevar a cabo simulaciones numéricas para resolver las ecuaciones. Figura 4 - Transición de régimen laminar a turbulento 1516 2.1 Ecuaciones fundamentales Las ecuaciones que gobiernan el comportamiento de un fluido son una representación matemática de las leyes de la conservación de la física: La masa de un fluido se conserva El índice de rapidez en variación de la cantidad de movimiento es igual a la suma de fuerzas en una partícula del fluido (F = m a) La energía se conserva El fluido se considera como continuo. Hay que apuntar que en dinámica de fluidos se estudia el comportamiento desde una perspectiva macroscópica, por lo que este comportamiento se describe en términos de sus propiedades macroscópicas como la velocidad, la presión, la densidad y la temperatura, así como la derivación del espacio y el tiempo. De esta manera, una partícula del fluido es el elemento más pequeño del fluido a estudiarse sin que sus propiedades se vean afectadas por su estructura microscópica (estructura molecular) [5]. Es ahí donde se desglosan estas leyes de la física. La siguiente partícula puede considerarse como un elemento de costados δx, δy, δz: Figura 5 - Elemento del fluido para las leyes de conservación [5] El elemento, además de estar marcado con su centro (X, Y, Z) y sus direcciones positivas, viene identificada en cada cara por N (north), S (south), E (east), W (west), T (top) y B (bottom). Una explicación sistemática en los cambios de la masa, la cantidad de movimiento y la energía del elemento debido al flujo atravesando su contorno (y, cuando se da el caso, debido a la actividad de las fuentes internas del elemento), deja paso a las ecuaciones de flujo del fluido. 1617 Todas las propiedades de un fluido son función del espacio y el tiempo, expresándose: ρ(x, y, z, tt); p(x, y, z, tt); T(x, y, z, tt); uu(x, y, z, tt) Refiriéndose a la densidad, presión, temperatura y el vector velocidad respectivamente. Nótese que las ecuaciones y expresiones siguientes en base a estos términos, sus dependencias con el espacio y el tiempo vendrán dadas de una manera implícita. Por ejemplo, la derivada de la coordenada X de la presión p en (X, Y, Z) y tiempo tt vendrá anotado por p/ x. El elemento en consideración es tan pequeño que las propiedades del fluido en sus caras pueden expresarse de una manera suficientemente precisa por medio de los dos primeros términos de una serie de Taylor expansiva. Por ejemplo, la presión en las caras W y E, donde las dos están a una distancia de 1/2 δx del centro, puede expresarse como: p p x 1 p δx y p + 2 x 1 2 δx Conservación de la masa El primer punto a tener en cuenta en la derivación de la ecuación de la conservación de la masa es hacer un balance másico del fluido en el elemento designado: índice del auumentto de la masa en el elementto = índice netto del cauudal másico a ttravés del elementto El primera parte del anterior estamento depende únicamente de la densidad: t El segundo estamento viene determinado por el producto de la densidad, el área y la componente de la velocidad normal a la cara establecida del elemento. ρuu (ρuu) x ρ (ρδxδyδz) = δxδyδz ( 5) t ρv (ρv) y δx δyδz ρuu (ρuu) x 1 2 δy δxδz ρv (ρv) y 1 δx δyδz 2 1 δy δxδz 2 1718 + ρw (ρw) z 1 2 δz δxδy ρw (ρw) z 1 2 δz δxδy ( 6) El flujo que entra en el elemento produce un aumento de la masa y adquiere un signo positivo, mientras que el flujo que sale adquiere un signo negativo. Figura 6 - Caudales másicos entrando y saliendo del elemento [5] El índice de incremento de la masa dentro del elemento ahora se iguala al balance de caudal másico del elemento a través de sus caras (ecuación 6). Nótese que la ecuación está dividida por el volumen del elemento δx, δy, y δz: O con una notación vectorial más compacta: ρ + (ρu) + (ρv) + (ρw) = 0 ( 7) t x y z ρ t + (ρu) = 0 ( 8) Ésta es la llamada ecuación de la conservación de la masa o ecuación de la continuidad en un punto para un fluido compresible. El primer término se refiere al cambio de la densidad respecto del tiempo. El segundo término describe el balance del caudal másico que atraviesa el elemento por medio de sus contornos; se denomina término convectivo. Para un fluido incompresible y de densidad constante la ecuación 8 se simplifica en: U = 0 ( 9) 1819 Cambios en las propiedades de una partícula de fluido Las leyes de conservación de la energía y de la cantidad de movimiento publican sus estamentos a partir del cambio en las propiedades de una partícula de fluido. Esto se define como la aproximación de Lagrange. Cada propiedad de la partícula es una función de la posición (x, y, z) de esta partícula y del tiempo tt. Considérese el valor de una propiedad por unidad de masa la notación f. La derivada total de una partícula que se desplaza con respecto del tiempo, Df/Dt, es: Df = f + f x + f y + f z Dt t x t y t z t ( 10) Ya que la partícula sigue el flujo, dx/dtt = uu, dy/dtt = v, dz/dtt = w. De esta manera: Df = f + (U )f ( 11) Dt t Así, Df/Dt define la rapidez en el cambio de una propiedad por unidad de masa f. Es posible determinar con métodos numéricos el comportamiento de un fluido a partir de la aproximación Lagrangiana, esto es, rastreando el movimiento de una partícula (ver figura 7). A pesar de ello, es más común desarrollar las ecuaciones sobre un conjunto de elementos de un fluido que conforman una región fijada en el espacio, como una tubería, bomba centrífuga, etc. Esto está definido por el método de Euler [5]. Figura 7 - Recorrido de una partícula en movimiento [6] Como en el caso de la conservación de la masa, aquí interesa el desarrollo de las ecuaciones en los cambios por unidad de volumen: ρ Df = ρ f + ρ(u )f ( 12) Dt t 1920 2.1.2 Conservación de la cantidad de movimiento Cuando la segunda ley de Newton se aplica en un elemento como el escogido, dice que la suma de fuerzas en el elemento es igual al índice de aumento del movimiento en esta partícula (masa aceleración). Ya que esta afirmación es una relación vectorial, se puede descomponer en tres relaciones escalares mediante los ejes (X, Y, Z). Considerando solo la componente x: F x = ma x ( 13) En primer lugar, considérese la parte izquierda de la ecuación 13. Partiendo de la afirmación de que el elemento experimenta una fuerza en la dirección x, las fuentes de esta fuerza pueden dividirse en 2 tipos: 1) Fuerzas de superficie: fuerzas viscosas, de presión, que actúan directamente en la superficie del elemento del fluido. 2) Fuerzas del cuerpo: fuerza centrífuga, la gravedad, Coriolis, fuerzas electromagnéticas, que actúan directamente en la masa del volumen del elemento en cuestión. El estado en que el elemento del fluido se encuentra sometido a un esfuerzo en su superficie está definido en términos de presión y los nueve componentes de esfuerzo viscoso. La presión, un esfuerzo normal, se denomina p. Los esfuerzos viscosos vienen denominados por τ, agrupados en la matriz del tensor σ representado en la siguiente figura (ecuación 14). La anotación habitual de los dos sufijos τ ij se aplica para indicar la dirección de tales esfuerzos. El sufijo j señala el esfuerzo viscoso actuando en esa dirección, en una superficie normal a la dirección i. τ xx τ yx τ zx σ = τ xy τ xz τ yy τ yz τ zy τ zz ( 14) 2021 Figura 8 - Esfuerzos cortante y normal [7] Los esfuerzos cortante y normal en un fluido están relacionados con la deformación del elemento del fluido a través del tiempo, como se puede ver en la anterior figura. Aquí, el esfuerzo cortante (a) está relacionado con la deformación cortante en el tiempo, mientras que el esfuerzo normal (b) está relacionado con el cambio de volumen del elemento en el tiempo. Como resultado, estos dos esfuerzos, así como la presión, dependen de los gradientes de velocidad en el fluido. En la mayoría de los fluidos viscosos, los esfuerzos normales son mucho más pequeños que los esfuerzos cortantes, por lo que en muchas ocasiones son despreciados. Los esfuerzos normales (como τ xx ), ganan más protagonismo cuando los gradientes de velocidad en la dirección normal (como u/ x) son muy grandes, como por ejemplo dentro de una ola [7]. En el eje X de un sistema de coordenadas tridimensional se encuentran pues las fuerzas debidas a la presión p, y los componentes de esfuerzo τ xx, τ yx y τ zx, mostrándose en la figura 9. Puede verse que las fuerzas alineadas con la dirección normal de un eje reciben un signo positivo y aquellas en la dirección opuesta reciben un signo negativo. La fuerza resultante en la dirección x es la suma de las fuerzas en los componentes actuando en el elemento. 2122 Figura 9 - Componentes de fuerza en la dirección x [5] dar: Aquí la presión es la magnitud de fuerza resultante del producto entre fuerza y superficie. Después de hacer un balance de fuerzas entre caras opuestas, se suman las resultantes para ( p + τ xx ) + τ yx x y + τ zx z Estas, como se ha mencionado, son las fuerzas en la superficie. Luego, denótese f x la fuerza del cuerpo por unidad de masa actuando sobre el elemento en cuestión en la dirección x. Un ejemplo podría ser la gravedad, en la dirección z. Asumiendo que el volumen de un elemento es (dx, dy, dz): ρf x (dx dy dz) Si se juntan estos dos últimos términos, se obtiene que la fuerza resultante en la dirección x es, por unidad de volumen: F x = ( p+τ xx) x + τ yx y + τ zx z dxdydz + ρf x dxdydz ( 15) 2223 Ahora, volviendo al lado derecho de la ley de Newton, la masa del elemento en cuestión está fijada y es igual a: m = ρ dxdydz ( 16) Y por último, nótese que la aceleración de la partícula no es más que el cambio en el tiempo de su velocidad. Ya que se está siguiendo el movimiento del elemento del fluido, este cambio en el tiempo de la velocidad está dado por la derivada total. Recordando que se está trabajando en la dirección x: a x = Du Dt Finalmente, combinando estas ecuaciones, la conservación de la cantidad de movimiento viene dada por: Componente x: Componente y: Componente z: ( 17) ρ Du = ( p+τ xx) + τ yx + τ zx + ρf Dt x y z x ( 18) ρ Dv = τ xy + ( p+τ yy) + τ zy + ρf Dt x y z y ( 19) ρ Dw = τ xz + τ yz + ( p+τ zz) + ρf Dt x y z z ( 20) La presión recibe signo negativo ya que está establecido que los esfuerzos de tensión mantengan el signo positivo, y la presión es una esfuerzo a compresión. Aplicando en la ecuación 17 a todo lo desarrollado, se resume en: ρ DU Dt = ρ U t + ρ(u )U = p + σ + ρf (21) 23 Mostrar más
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