Conceptos Fundamentales de Hidráulica y Medición de Flujo en Tuberías

Venturímetro

Tubo que presenta un estrangulamiento cónico en sus extremos de salida y que, gracias a la disminución gradual de la sección a la entrada del tubo y a un aumento asimismo gradual a la salida, impide la formación de turbulencias. A la parte ancha y estrecha se le conecta un tubo cuyo extremo esté libre. Aplicando el teorema de Bernoulli entre esos dos puntos, se puede determinar el caudal del líquido que lo atraviesa por unidad de tiempo a partir de la diferencia de presión entre la sección normal y la sección estrangulada. De acuerdo con esto, la velocidad en la parte estrecha de la canalización tiene que ser mayor que en la ancha; por estar ambos a la misma altura, la presión en la parte ancha es mayor que en la estrecha, ya que el caudal que entra es igual al que sale de la tubería. Consideramos que el fluido es perfecto dentro de la tubería. Aplicamos Bernoulli (chuleta).

Sonda de Prandtl: Tubo de Pitot

Sonda dotada de un orificio que se orienta siempre en contra de la corriente fluida que se desea estudiar. En su abertura se forma un punto de remanso en el cual la velocidad del fluido es nula. Aplicando el teorema de Bernoulli entre un punto muy cerca de la sonda, se obtiene una relación entre las presiones para ambos puntos, la velocidad del fluido y la densidad de este y, por tanto, el valor de la llamada presión dinámica.

Diagrama de Moody

Es una representación gráfica a escala doblemente logarítmica del factor de fricción en función del número de Reynolds y la rugosidad relativa de la tubería. Se pueden distinguir dos situaciones: si el régimen es laminar o turbulento.

Régimen Laminar

Si el número de Reynolds es menor de 2000, el factor de fricción depende únicamente del número de Reynolds con la expresión de Hagen-Poiseuille.

Régimen Turbulento

Se distinguen 3 etapas:

1. Hidráulicamente liso (Blasius): El factor de fricción es función del número de Reynolds.
2. Transición: El factor de fricción (f) depende del número de Reynolds (Re) y de la rugosidad relativa de la tubería (Ka/D). Se producen pérdidas.
3. Turbulencia completa: El factor de fricción (f) solo depende de la aspereza del material, es decir, de la rugosidad relativa de la tubería. Para esta zona, Re puede tomar cualquier valor y f será la misma.

Experimento de Reynolds

Vamos a cuantificar las pérdidas que se producen entre un punto y otro de la tubería. El primero que se dio cuenta de que existían pérdidas fue Reynolds y realizó el siguiente experimento:

• Tomó un tramo de tubería e introdujo en dos secciones piezómetros a distancia L.
• Introdujo progresivamente un colorante en la tubería a la vez que modificaba el caudal por un grifo y observó que: Para caudales pequeños, el colorante se veía como un líquido ordenado (régimen laminar).

Y finalmente observó que el colorante se mezclaba turbulentamente con el agua (régimen turbulento). Además, observó que con el régimen laminar, la diferencia de altura entre piezómetros es menor. El número de Reynolds es un número adimensional que se utiliza en tuberías circulares con flujo a tubería llena. Define el régimen de flujo en la tubería.

Corrientes en Carga

Ecuación de Darcy-Weisbach

Ecuación racional para el cálculo de hf (pérdidas de carga) en condiciones cilíndricas de sección circular en régimen permanente y uniforme: hf = f * (L/D) * (v² / 2g).

Si tengo una tubería de longitud L, diámetro D, la corriente lleva una velocidad v (donde 'v' es la velocidad del fluido), en función del caudal que pasa y de la sección, y tengo un material con una aspereza determinada. Las pérdidas de energía (hf) se producen en función de f (el factor de fricción), que es un factor que depende de la aspereza de la tubería y del régimen de flujo que pasa por ella (número de Reynolds).

Experimento de Nikuradse

Realizó experimentos para hallar el factor de fricción. Determinó f en función de la aspereza y del tipo de régimen. Cogió una tubería de diámetro determinado y le dio una aspereza que él mismo determinó. Pegó arena de 0,4 mm aproximadamente al interior de la tubería, obteniendo así una aspereza a la cual llamó Ka.