Mecánica de fluidos. PDF
Preview Mecánica de fluidos.
MECÁNICA DE FLUÍDOS cuarta edición MERLE C. POTTER DAVID C. WIGGERT BASSEM H. RAMADAN Mecánica de fluidos Mecánica de fluidos Cuarta edición Merle C. Potter Michigan State University David C. Wiggert Michigan State University Bassem Ramadan Kettering University con Tom I-P. Shih Purdue University Traducción: Ing. Jorge Humberto Romo Muñoz Traductor profesional Revisión Técnica: Ing. Javier León Cárdenas Profesor de Ciencias Básicas Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas Instituto Politécnico Nacional Australia • Brasil • Corea • España • Estados Unidos • Japón • México • Reino Unido • Singapur Mecánica de fluidos © D.R. 2015 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V., Cuarta edición una Compañía de Cengage Learning, Inc. Merle C. Potter Corporativo Santa Fe David C. Wiggert Av. Santa Fe núm. 505, piso 12 Bassem Ramadan Col. Cruz Manca, Santa Fe C.P. 05349, México, D.F. Presidente de Cengage Learning Cengage Learning® es una marca registrada Latinoamérica usada bajo permiso. Fernando Valenzuela Migoya DERECHOS RESERVADOS. Ninguna parte de Director Editorial, de Producción este trabajo amparado por la Ley Federal del y de Plataformas Digitales Derecho de Autor, podrá ser reproducida, para Latinoamérica transmitida, almacenada o utilizada en Ricardo H. Rodríguez cualquier forma o por cualquier medio, ya sea gráfico, electrónico o mecánico, incluyendo, Editora de Adquisiciones para pero sin limitarse a lo siguiente: fotocopiado, Latinoamérica reproducción, escaneo, digitalización, Claudia C. Garay Castro grabación en audio, distribución en Internet, distribución en redes de información o Gerente de Manufactura para almacenamiento y recopilación en sistemas Latinoamérica de información a excepción de lo permitido Raúl D. Zendejas Espejel en el Capítulo III, Artículo 27 de la Ley Federal del Derecho de Autor, sin el consentimiento Gerente Editorial en Español para por escrito de la Editorial. Latinoamérica Pilar Hernández Santamarina Traducido del libro Mechanics of Fluids Gerente de Proyectos Especiales Fourth edition Luciana Rabuffetti Merle C. Potter David C. Wiggert Coordinador de Manufactura Bassem Ramadan Rafael Pérez González Publicado en inglés por Cengage Learning © 2012 Editor Sergio R. Cervantes González ISBN 13: 978-0-495-66773-5 Diseño de portada Datos para catalogación bibliográfica: Anneli Daniela Torres Arroyo Potter, Merle C., David C. Wiggert y Bassem Ramadan Mecánica de fluidos Imágenes de portada ISBN 13: 978-607-519-459-2 © Paulo Manuel Furtado Pires/ Dreamstime Visite nuestro sitio en: http://latinoamerica.cengage.com Composición tipográfica Gerardo Larios García Impreso en México 1 2 3 4 5 6 7 17 16 15 14 Contenido CAPÍTULO 1 CONSIDERACIONES BÁSICAS 3 1.1 Introducción 4 1.2 Dimensiones, unidades y cantidades físicas 4 1.3 Concepto de medio continuo de gases y líquidos 8 1.4 Escalas de presión y temperatura 11 1.5 Propiedades de los fluidos 14 1.6 Leyes de conservación 23 1.7 Propiedades y relaciones termodinámicas 24 1.8 Resumen 30 Problemas 32 CAPÍTULO 2 ESTÁTICA DE FLUIDOS 39 2.1 Introducción 40 2.2 Presión en un punto 40 2.3 Variación de la presión 41 2.4 Fluidos en reposo 43 2.5 Recipientes linealmente acelerados 67 2.6 Recipientes giratorios 69 2.7 Resumen 72 Problemas 74 CAPÍTULO 3 INTRODUCCIÓN AL MOVIMIENTO DE FLUIDOS 87 3.1 Introducción 88 3.2 Descripción del movimiento de fluidos 88 3.3 Clasificación de los flujos de fluidos 100 3.4 La ecuación de Bernoulli 107 3.5 Resumen 116 Problemas 117 CAPÍTULO 4 FORMAS INTEGRALES DE LAS LEYES FUNDAMENTALES 127 4.1 Introducción 128 4.2 Las tres leyes básicas 128 4.3 Transformación de un sistema a un volumen de control 132 v vi Contenido 4.4 Conservación de la masa 137 4.5 Ecuación de la energía 144 4.6 Ecuación de la cantidad de movimiento 157 4.7 Ecuación del momento de la cantidad de movimiento 176 4.8 Resumen 179 Problemas 182 CAPÍTULO 5 FORMAS DIFERENCIALES DE LAS LEYES FUNDAMENTALES 203 5.1 Introducción 204 5.2 Ecuación diferencial de continuidad 205 5.3 Ecuación diferencial de la cantidad de movimiento 210 5.4 Ecuación diferencial de la energía 223 5.5 Resumen 229 Problemas 231 CAPÍTULO 6 ANÁLISIS DIMENSIONAL Y SIMILITUD 237 6.1 Introducción 238 6.2 Análisis dimensional 239 6.3 Similitud 248 6.4 Ecuaciones diferenciales normalizadas 258 6.5 Resumen 262 Problemas 263 CAPÍTULO 7 FLUJOS INTERNOS 271 7.1 Introducción 272 7.2 Flujo de entrada y flujo desarrollado 272 7.3 Flujo laminar en un tubo 274 7.4 Flujo laminar entre placas paralelas 281 7.5 Flujo laminar entre cilindros giratorios 288 7.6 Flujo turbulento en un tubo 292 7.7 Flujo uniforme turbulento en canales abiertos 325 7.8 Resumen 329 Problemas 331 CAPÍTULO 8 FLUJOS EXTERNOS 345 8.1 Introducción 346 8.2 Separación 350 8.3 Flujo alrededor de cuerpos sumergidos 352 8.4 Sustentación y resistencia al avance en superficies aerodinámicas 367 8.5 Teoría del flujo potencial 372 8.6 Teoría de la capa límite 385 8.7 Resumen 409 Problemas 411 Contenido vii CAPÍTULO 9 FLUJO COMPRESIBLE 425 9.1 Introducción 426 9.2 Velocidad del sonido y el número de Mach 427 9.3 Flujo isentrópico a través de una tobera 431 9.4 Onda de choque normal 442 9.5 Ondas de choque en toberas convergentes-divergentes 449 9.6 Flujo de vapor a través de una tobera 454 9.7 Onda de choque oblicua 456 9.8 Ondas isentrópicas de expansión 461 9.9 Resumen 465 Problemas 466 CAPÍTULO 10 FLUJO EN CANALES ABIERTOS 473 10.1 Introducción 474 10.2 Flujos en canales abiertos 475 10.3 Flujo uniforme 478 10.4 Conceptos de energía 484 10.5 Conceptos de la cantidad de movimiento 498 10.6 Flujo no uniforme gradualmente variado 510 10.7 Análisis numérico de perfiles de superficies de agua 518 10.8 Resumen 528 Problemas 529 CAPÍTULO 11 FLUJOS EN SISTEMAS DE TUBERÍAS 543 11.1 Introducción 544 11.2 Pérdidas en sistemas de tuberías 544 11.3 Sistemas de tuberías simples 550 11.4 Análisis de redes de tuberías 561 11.5 Flujo no permanente en tuberías 574 11.6 Resumen 582 Problemas 583 CAPÍTULO 12 TURBOMAQUINARIA 599 12.1 Introducción 600 12.2 Turbobombas 600 12.3 Análisis y similitud dimensional para turbomaquinaria 617 12.4 Uso de turbobombas en sistemas de tuberías 626 12.5 Turbinas 632 12.6 Resumen 647 Problemas 648 viii Contenido CAPÍTULO 13 MEDICIONES EN MECÁNICA DE FLUIDOS 655 13.1 Introducción 656 13.2 Medición de parámetros de flujo local 656 13.3 Medición del gasto 664 13.4 Visualización del flujo 673 13.5 Adquisición y análisis de datos 681 13.6 Resumen 693 Problemas 693 CAPÍTULO 14 DINÁMICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL 697 14.1 Introducción 698 14.2 Ejemplos de métodos de diferencia finita 699 14.3 Estabilidad, convergencia y error 710 14.4 Solución del flujo de Couette 717 14.5 Solución de flujo potencial de estado permanente bidimensional 721 14.6 Resumen 726 Bibliografía 728 Problemas 729 APÉNDICE 733 A. Unidades y conversiones en relaciones vectoriales 733 B. Propiedades de fluidos 735 C. Propiedades de áreas y volúmenes 741 D. Tablas para flujo compresible de aire 742 E. Soluciones numéricas del capítulo 10 751 F. Soluciones numéricas del capítulo 11 758 BIBLIOGRAFÍA 773 Referencias 773 Interés general 774 RESPUESTAS A PROBLEMAS SELECCIONADOS 776 ÍNDICE 785 Prefacio La motivación para escribir un libro es difícil de describir. Con mucha frecuencia los au- tores sugieren que los otros textos sobre la materia tienen ciertas deficiencias que ellos corregirán, por ejemplo una descripción precisa de flujos de entrada y de flujos alrededor de objetos desafilados, la diferencia entre flujo en una dimensión y un flujo uniforme, la correcta presentación de la derivación de un volumen de control, o una definición de flujo laminar que sea lógica. Los nuevos autores, por supuesto, ¡introducen otras deficiencias que futuros autores esperan corregir! Y la vida continúa. Éste es otro libro sobre fluidos que ha sido escrito con la esperanza de presentar un punto de vista mejorado de la mecá- nica de fluidos para que el estudiante de licenciatura pueda entender los conceptos físicos y siga las matemáticas. Esto no es una tarea fácil: la mecánica de fluidos es un tema que contiene muchos fenómenos difíciles de entender. Por ejemplo, ¿cómo se explicaría el agujero hecho en la arena por el agua en el lado de corriente arriba de un contrafuerte o estribo? ¿O la elevada concentración de esmog en la zona de Los Ángeles (no existe el mismo nivel en Nueva York)? ¿O el inesperado y fuerte viento alrededor de la es- quina de un edificio alto en Chicago? ¿O la vibración y subsiguiente colapso de un gran puente de acero y concreto debido al viento? ¿O los vórtices de salida observados detrás de un enorme avión comercial? Hemos tratado de presentar la mecánica de fluidos de modo que el estudiante pueda entender y analizar muchos de los importantes fenómenos encontrados por el ingeniero. El nivel matemático de este libro está basado en cursos previos de matemáticas reque- ridos en todos los currículos de ingeniería. Usamos soluciones para ecuaciones diferen- ciales y álgebra vectorial. Aplicamos un poco de cálculo vectorial con el uso del operador gradiente, pero se mantiene al mínimo puesto que tiende a ocultar la física involucrada. Numerosos textos conocidos sobre mecánica de fluidos no han presentado los flujos de fluidos como campos, es decir, han presentado principalmente los flujos que pueden ser aproximados como flujos en una dimensión y han tratado otros flujos usando datos experimentales. Debemos reconocer que cuando un fluido fluye alrededor de un objeto, por ejemplo un edificio o un contrafuerte, su velocidad posee las tres componentes que dependen de las tres variables espaciales y, con frecuencia, del tiempo. Si presentamos las ecuaciones que describen tal flujo general, las ecuaciones se conocen como ecuaciones de campo, y los campos de velocidad y presión son entonces de interés. Esto es muy seme- ix
The list of books you might like
