Mecanica_C4

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STASSI, MAURO JOSÉ AÑO 2007 
 
Capítulo 4: Análisis dimensional y similitud dinámica
 
Ejercicio 4-8 
 
Usando las variables Q, D, ΔH/l, ρ, μ, g como pertinentes al flujo en un tubo liso, arreglarlas en 
parámetros adimensionales con Q, ρ, μ como variables repetitivas. 
 
Resolución 
 
Las variables son 6 
[ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]2113113 ,,,1,, −−−−−− =Δ LTgTMLMLLL
L
HLDTLQ μρ 
Las unidades son 3 
TML ,, 
entonces, los parámetros adimensionales son 
Nº π = 6 – 3 = 3 
π1 será 
L
HΔ=∏1 
π1 = ΔH/L 
π2 será 
321
2
xxxDQ μρ=∏ 
( ) ( ) ( ) 321 113132 xxx TMLMLTLL −−−−=∏ 
entonces 
 Para M ⇒ 000 32 =+++ xx 
 Para L ⇒ 0331 321 =−−+ xxx 
 Para T ⇒ 000 31 =−+− xx 
 
de aquí 
11 −=x 
12 −=x 
13 =x 
entonces 
ρ
μ
Q
D=∏2 
 
π2 = Dμ/Qρ 
 
π3 será 
321
3
xxxgQ μρ=∏ 
( ) ( ) ( ) 321 1131323 xxx TMLMLTLLT −−−−−=∏ 
entonces 
 Para M ⇒ 000 32 =+++ xx 
MECÁNICA DE LOS FLUIDOS CAPÍTULO 4 1
 Para L ⇒ 0331 321 =−−+ xxx 
STASSI, MAURO JOSÉ AÑO 2007 
 
 Para T ⇒ 002 31 =−+−− xx 
 
de aquí 
31 =x 
52 =x 
53 −=x 
entonces 
5
53
3 μ
ρgQ=∏ 
 
π3 = gQ3ρ5/μ5
 
Ejercicio 4-13 
 
En un fluido que gira como un sólido alrededor de un eje vertical con velocidad angular ω, la 
elevación de la presión p en una dirección radial depende de la velocidad ω, el radio r y la densidad 
del fluido ρ. Obténgase la forma de ecuación para p. 
 
Resolución 
 
Las variables son 4 [ ] [ ] [ ] [ ]3121 ,,, −−−− MLTLrTMLp ρω 
Las unidades son 3 
TML ,, 
entonces, los parámetros adimensionales son 
Nº π = 4 – 3 = 1 
π será 
321 xxx rp ρω=∏ 
( ) ( ) ( ) 321 31212 xxx LMLTTML −−−−=∏ 
entonces 
 Para M ⇒ 0001 2 =+++ x 
 Para L ⇒ 0301 32 =+−+− xx 
 Para T ⇒ 0002 1 =−+−− x 
 
de aquí 
21 −=x 
12 −=x 
23 −=x 
entonces 
ρω 22r
p=∏ 
Entonces 
p = cte.r2ω2ρ 
 
 
MECÁNICA DE LOS FLUIDOS CAPÍTULO 4 2
 
STASSI, MAURO JOSÉ AÑO 2007 
 
 
 
Ejercicio 4-18 
 
La velocidad en un punto de un modelo de un canal de alivio para una presa es 1 m/s. Para una 
razón del prototipo al modelo de 10:1, ¿Cuál es la velocidad en el punto correspondiente en el 
prototipo bajo condiciones similares? 
 
Resolución 
 
Como es un canal la similitud dinámica exige igual número de Froude, entonces 
pp
p
mm
m
lg
v
lg
v 22 = 
Como la gravedad es la misma 
p
p
m
m
l
v
l
v 22 = 
m
p
mp l
l
vv 22 = 
m
p
mp l
l
vv = 
1
1000,1
s
mvp = 
 
vp = 3,16 m/s 
 
Ejercicio 4-19 
 
El suministro de potencia a una bomba depende de la descarga Q, de la elevación de la presión 
Δp, de la densidad del fluido ρ, del tamaño D y de la eficiencia e. Encuéntrese la expresión para la 
potencia por uso del análisis dimensional. 
 
Resolución 
 
Las variables son 6 [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]1,,,,, 3211332 eMLTMLpLDTLQTMLP −−−−− Δ ρ 
Las unidades son 3 
TML ,, 
entonces, los parámetros adimensionales son 
Nº π = 6 – 3 = 3 
π1 será 
e=∏1 
π1 = e 
π2 será 
321
2
xxx pPQ ρΔ=∏ 
( ) ( ) ( ) 321 32113322 xxx MLTMLTLTML −−−−−=∏ 
MECÁNICA DE LOS FLUIDOS CAPÍTULO 4 3
entonces 
STASSI, MAURO JOSÉ AÑO 2007 
 
 Para M ⇒ 001 32 =+++ xx 
 Para L ⇒ 0332 321 =−−+ xxx 
 Para T ⇒ 0023 21 =+−−− xx 
 
de aquí 
11 −=x 
12 −=x 
03 =x 
entonces 
pQ
P
Δ=∏ 2 
 
π2 = P/QΔp 
 
π3 será 
321
3
xxx pDQ ρΔ=∏ 
( ) ( ) ( ) 321 321133 xxx MLTMLTLL −−−−=∏ 
entonces 
 Para M ⇒ 000 32 =+++ xx 
 Para L ⇒ 0331 321 =−−+ xxx 
 Para T ⇒ 0020 21 =+−− xx 
 
de aquí 
5,01 −=x 
25,02 =x 
25,03 −=x 
entonces 
4
4
3 ρQ
pD Δ=∏ 
 
π3 = DΔp1/4
 Q1/2ρ1/4
 
Ejercicio 4-21 
 
Un modelo de medidor Venturi tiene dimensiones lineales de un quinto de las del prototipo. El 
prototipo opera con agua a 20 ºC y el modelo con agua a 95 ºC. Para un diámetro de garganta de 
600 mm y una velocidad en la garganta de 6 m/s en el prototipo, ¿qué descarga se necesita a 
través del modelo para que se tenga similitud? 
 
Resolución 
 
MECÁNICA DE LOS FLUIDOS CAPÍTULO 4 4
Como es una tubería la similitud dinámica exige igual número de Reynolds, entonces 
STASSI, MAURO JOSÉ AÑO 2007 
 
p
pp
m
mm vDvD
νν = 
p
p
m
m
p
m vD
D
v ν
ν= 
s
m
s
m
s
m
mm
mmvm 00,6
10007,1
10311,0
5
00,600
00,600
2
6
2
6
⎥⎥
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢
⎣
⎡
×
×
=
−
−
 
s
mvm 86,9= 
s
mmvAQ mmm 86,95
6,0
4
2
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛== π 
 
Qm = 0,10 m3/s 
 
Ejercicio 4-32 
 
Un modelo a escala 1:5 de un sistema de tuberías de una estación de bombeo se va a probar para 
determinar las pérdidas totales de carga. Se dispone de aire a 25 ºC, 1 atm. Para una velocidad del 
prototipo de 500 mm/s en una sección de 4 m de diámetro con agua a 15 ºC, determínese la 
velocidad del aire y la cantidad del mismo necesarias y cómo las pérdidas determinadas en el 
modelo se convierten en pérdidas en el prototipo. 
 
Resolución 
 
Como es una tubería la similitud dinámica exige igual número de Reynolds, entonces 
p
pp
m
mm vDvD
νν = 
p
p
m
m
p
m vD
D
v ν
ν= 
s
m
s
m
s
m
m
mvm 50,0
10141,1
1070,1
5
00,4
00,4
2
6
2
5
⎥⎥
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢
⎣
⎡
×
×
=
−
−
 
La viscosidad cinemática del aire se obtuvo de la figura C.2 de Mecánica de los fluidos (Streeter) 
 
vm = 37,25m/s 
 
s
mmvA mmm 25,375
00,4
4
2
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛== πQ 
 
Qm = 18,72 m3/s 
 
MECÁNICA DE LOS FLUIDOS CAPÍTULO 4 5
Como las pérdidas dependen del número de Reynolds y este es el mismo para modelo y prototipo 
las pérdidas serán las mismas.