Mecanica De Fluidos 2006

UNIVERSIDAD DE PAMPLONA FACULTAD: INGENIERÍAS Y ARQUITECTURA DEPARTAMENTO: INGENIERÍA DE ALIMENTOS Y MEDIO AMBIENTE ASIGNATURA: MECANICA DE FLUIDOS CÓDIGO: ÁREA: BASICA REQUISITOS: ELECTROMAGNETISMO CORREQUISITO:

168109

ECUAC.DIFERENCIALES MEC. ANALITICA CRÉDITOS:

3

TIPO DE ASIGNATURA:

TEÓRICOPRACTICA

JUSTIFICACION: La compresión adecuada de la mecánica de fluidos adquiere una importancia extraordinaria en muchas áreas de la ingeniería. Para los ingenieros de alimentos es necesario conocer las propiedades de los alimentos que se transportan en una planta por medio de ductos con el fin de evitar su deterioro y mantener !a calidad del producto. Para los ingenieros industriales es importante conocer, las presiones y los caudales de fluido, de las líneas de aire acondicionado, líneas de vapor, líneas de agua entre otras, con el fin de optimizar el espacio y minimizar los riesgos dentro de una planta industrial. Para los ingenieros de Alimentos es necesario conocer las diferentes propiedades y el comportamiento dinámico de los fluidos alimenticios para poder predecir los cambios de las diferentes variables presentes en el fenómeno de transporte de fluidos. OBJETIVO GENERAL: Conocer y manipular los conceptos básicos de la Mecánica de Fluidos, con el fin de que estos sean aplicados en la solución de problemas en los procesos industriales. OBJETIVOS ESPECIFICOS:  Determinar y caracterizar los diferentes tipos de fluidos, basados en las propiedades que ellos presentan.  Conocer como las leyes de la física y las matemáticas son aplicadas a los fluidos en reposo y en movimiento.  Motivar al estudiante a comprender la importancia de la mecánica de fluidos dentro del desarrollo industrial del mundo.

2

COMPETENCIAS  Capacidad de comprensión y planteamiento de alternativas de solución de problemas utilizando la mecánica de fluidos.  Capacidad de organización y responsabilidad del trabajo para desarrollar las tareas con el máximo de eficacia y eficiencia.  Disposición y habilidad para colaborar de manera coordinada en las tareas realizadas conjuntamente por un equipo de personas para conquistar un objetivo propuesto.  Capacidad de realizar una tarea de forma independiente, ejecutándola de principio hasta el final, sin necesidad de recibir ninguna ayuda o apoyo.  Capacidad de iniciativa o habilidad y disposición para tomar decisiones sobre propuestas o acciones. UNIDAD 1 CONSIDERACIONES BASICAS TEMA Dimensiones, unidades y cantidades físicas Perspectiva de medio continuo de gases y líquidos Escala de presión y temperatura Propiedades de los fluidos Gases Ideales

HORAS DE CONTACTO DIRECTO 2 1

HORAS DE TRABAJO INDEPENDIENTE DEL ESTUDIANTE. 2 1

1 3 1

1 2 1

HORAS DE CONTACTO DIRECTO 1 2 3 2 2

HORAS DE TRABAJO INDEPENDIENTE DEL ESTUDIANTE. 1 2 2 2

UNIDAD 2 ESTÁTICA DE FLUIDOS TEMA Presión en un punto Variación de presión Fluidos en reposo Recipientes en aceleración lineal y giratorios Práctica 1: Presión Hidrostática y Centros de Presión

UNIDAD 3 INTRODUCCION A LOS FLUIDOS EN MOVIMIENTO HORAS DE TEMA CONTACTO DIRECTO Descripción del movimiento de fluidos 3 Clasificación de los flujos de fluidos 2 La ecuación de Bernoulli 4

HORAS DE TRABAJO INDEPENDIENTE DEL ESTUDIANTE. 2 2 3

3

2

Práctica 2: Visualización del Régimen de Flujo de un Fluido Práctica 3: Demostración del Teorema de Bernoulli UNIDAD 4 FORMAS FUNDAMENTALES

DIFERENCIALES

2

E

TEMA Conservación de la masa Ecuación integral de la Energía Ecuación integral de cantidad de movimiento Ecuación integral de momento de cantidad de movimiento Ecuación diferencial de continuidad Ecuación diferencial de cantidad de movimiento Ecuación diferencial de energía

INTEGRALES

DE

LAS

LEYES

HORAS DE CONTACTO DIRECTO 1 1 2

HORAS DE TRABAJO INDEPENDIENTE DEL ESTUDIANTE. 1 1 2

2

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2 1 1

HORAS DE CONTACTO DIRECTO 2 1 1

HORAS DE TRABAJO INDEPENDIENTE DEL ESTUDIANTE. 2 1 1

HORAS DE CONTACTO DIRECTO 3 4 2 2 2

HORAS DE TRABAJO INDEPENDIENTE DEL ESTUDIANTE. 2 3 2 2 2

HORAS DE CONTACTO DIRECTO 1 1 2

HORAS DE TRABAJO INDEPENDIENTE DEL ESTUDIANTE. 1 1 2

UNIDAD 5 ANALISIS DIMENSIONAL Y SIMILITUD TEMA Análisis dimensional Similitud Ecuaciones diferenciales normalizadas UNIDAD 6 FLUJOS INTERNOS TEMA Flujo laminar en un tubo Flujo laminar entre placas paralelas Flujo laminar entre cilindros rotatorio Flujo turbulento en un tubo Flujo uniforme turbulento en canales abiertos UNIDAD 7 FLUJO EN CANALES ABIERTOS TEMA Flujos de canal abierto Flujo Uniforme Conceptos de Energía en Flujo de Canal

4

Abierto Conceptos de Momentum en Flujos de Canal Abierto Flujo no Uniforme gradualmente Variado Análisis Numérico de Perfiles de Superficie de Agua

2

2

2

2

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HORAS DE CONTACTO DIRECTO 1 1 2 2 2

HORAS DE TRABAJO INDEPENDIENTE DEL ESTUDIANTE. 1 1 2 2 2

UNIDAD 8 FLUJOS EN SISTEMAS DE TUBERIAS TEMA Pérdidas en Sistemas de Tuberías Sistemas de Tubos Simples Análisis de Redes de Tubos Flujo Inestable en tuberías Teoría de la capa limite Práctica 4: Estudio de las Pérdidas de Energía en Tuberías Práctica 5: Pérdidas de Energía por Accesorios en Conductos

2 2

METODOLOGIA Será impartida una clase magistral en una sala virtual en la primera parte de cada sesión con el fin de brindar al estudiante los fundamentos teóricos de la materia. Seguidamente, se llevarán a cabo diversos ejemplos de aplicación y finalmente se realizará un taller en clase. Igualmente se implementará el análisis de casos y la relatoría como elemento fundamental para fortalecer el proceso de enseñanza-aprendizaje. SISTEMA DE EVALUACIÓN: PARÁGRAFO PRIMERO.- Las evaluaciones de las semanas sexta (6) y décima segunda (12), tendrán un porcentaje del 35% cada una, distribuida, así: una prueba escrita con un valor del 20%, presentada en la semana de evaluación y el 15% restante corresponderá a trabajos, quices, exposiciones, talleres, trabajos de campo, informes de práctica, realizadas con anterioridad a la semana de evaluación, en común acuerdo con el docente de la asignatura respectiva. La evaluación de la semana décima octava (18) tendrá un porcentaje del 30%, distribuido en la prueba escrita del 20% y el 10% restante, corresponde a las actividades de trabajos, quices, talleres, exposiciones, trabajo de campo e informes de práctica, acordadas previamente. PARÁGRAFO SEGUNDO.- El Examen de Habilitación se presentará en la fecha y hora fijada por la Universidad, en un lapso no menor de cinco (5) días calendario, entre el examen final de un curso y su habilitación. La calificación obtenida en el Examen de Habilitación, reemplazará la nota definitiva de esta asignatura y afectará el promedio ponderado de semestre y acumulado del estudiante.

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PARÁGRAFO TERCERO.- El Examen Supletorio, en ningún caso puede suplir al Examen de Habilitación o de Validación, y deberá presentarse dentro de los ocho (8) días siguientes a su autorización. Si no lo presentare en los plazos previstos, la evaluación será calificada con cero punto cero cero, (0.00) y no impedirá la presentación del Examen de Habilitación en el respectivo curso. El Examen Supletorio tendrá un valor del 4% del s.m.m.l.v., excepto, cuando la evaluación deje de presentarse por motivo de fuerza mayor y sea plenamente autorizado por el Director de Departamento. ARTÍCULO 9.- Asistencia a los Cursos de Pregrado Presencial: La asistencia a clases es obligatoria y su control la hará el profesor de cada materia. El estudiante que deje de asistir al veinte por ciento (20%) de las clases teóricas, o al diez por ciento (10%) de las teóricoprácticas o prácticas, perderá la materia por fallas. El profesor reportará la inasistencia en el parcial donde haya acumulado el respectivo porcentaje y la nota definitiva será cero punto cero cero (0.00). PARÁGRAFO PRIMERO.- No se tendrán en cuenta las faltas de asistencia por motivos de enfermedad, calamidad doméstica, o de representación estudiantil ante los diferentes órganos de dirección de la Universidad. Sin embargo, el estudiante deberá asistir como mínimo al ochenta por ciento (80%) de las actividades, cuando se trate de un curso teórico y al noventa por ciento (90%), si es un curso teórico-práctico o práctico.

BIBLIOGRAFIA BASICA:  Merle C. Potter, David C. Wiggert. Mecánica de Fluidos. Thomson. 2002  Robert L. Mott. Mecánica de Fluidos Aplicada. Prentice may. 1996  Irving H. Llames, Mecánica de Fluidos. Mc Graw Hill. 1995  Victor L. Streeter, C. Benjamin Wylie. Mc Graw Hill. 1999  Mataix. Mecánica de Fluidos y Maquinas Hidráulicas. Harla. 1997  White Frank. Fluid Mechanics. Mc Graw Hill. Fourth Edition. 2001 BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA  Peterson - APPLIED MECHANIC FLUIDS.  SMITS, Alexander, MECÁNICA DE FLUIDOS

DIRECCIONES ELECTRONICAS DE APOYO AL CURSO http://usuarios.iponet.es/jsl/hidra.htm http://cipres.cec.uchile.cl/~rgalvez/visco.htm http://www.inlab.com.ar/Darcy_1.htm http://www.ae.su.oz.au/aero/atmos/atmos.html http://inicia.es/de/vuelo/PBV/PBV12.html

UNIDAD Nº: 1 NOMBRE DE LA UNIDAD: CONSIDERACIONES BASICAS COMPETENCIAS A DESARROLLAR: El estudiante estará en capacidad de manejar adecuadamente los diferentes sistemas de unidades y las diferentes variables físicas y químicas presentes en el manejo de aplicaciones con fluidos. CONTENIDOS

Dimensiones, unidades y cantidades físicas. Perspectiva de medio continuo de gases y líquidos. Escala de presión y temperatura. Propiedades de los fluidos. Gases Ideales.

ACTIVIDADES A DESARROLLAR POR EL PROFESOR

Presentación magistral del tema con teoría asociada y ejemplos de aplicación, motivación al estudio del tema para debatirlo durante la clase y desarrollo de problemas al final de la clase.

HORAS CONTACTO DIRECTO

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ACTIVIDADES A DESARROLLAR POR EL ESTUDIANTE

Desarrollo de Problemas del libro guía, complementados con la realización de algunas lecturas para una comprensión más profunda de la importancia del manejo adecuado de los diferentes sistemas de Unidades y sus diferentes tipos.

HORAS TRABAJO INDEPEND IENTE

HORAS ACOMPAÑAMIEN TO AL TRABAJO INDEPENDIENTE

ESTRATEGIAS DE EVALUACIÓN QUE INCLUYA LA EVALUACIÓN DEL TRABAJO INDEPENDIENTE

Motivación de los estudiantes a la participación en clase con notas apreciativas para estimular el debate en el transcurso de la misma. 7

3

7

UNIDAD Nº: 2 NOMBRE DE LA UNIDAD: ESTÁTICA DE FLUIDOS COMPETENCIAS A DESARROLLAR: El estudiante estará en capacidad de analizar sistemas y aplicaciones reales donde estén presentes fluidos en reposo, además de desarrollar análisis de distribuciones de fuerzas en compuertas de formas regulares e irregulares. CONTENIDOS

Presión en un punto. Variación de presión. Fluidos en reposo. Recipientes en aceleración lineal y giratorios. Práctica 1: Presión Hidrostática y Centros de Presión

ACTIVIDADES A DESARROLLAR POR EL PROFESOR

Presentación magistral del tema con teoría asociada y ejemplos de aplicación, motivación al estudio del tema para debatirlo durante la clase y desarrollo de problemas al final de la clase. Explicación de los procedimientos para el desarrollo de la Práctica 1

HORAS CONTACTO DIRECTO

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ACTIVIDADES A DESARROLLAR POR EL ESTUDIANTE

Desarrollo de Problemas del libro guía, complementados con la realización de algunas lecturas para una comprensión más profunda de los procedimientos para el análisis de compuertas planas, curvas e irregulares.

HORAS TRABAJO INDEPEND IENTE

HORAS ACOMPAÑAMIEN TO AL TRABAJO INDEPENDIENTE

ESTRATEGIAS DE EVALUACIÓN QUE INCLUYA LA EVALUACIÓN DEL TRABAJO INDEPENDIENTE

Motivación de los estudiantes a la participación en clase con notas apreciativas para estimular el debate en el transcurso de la misma. 7

3

UNIDAD Nº: 3 NOMBRE DE LA UNIDAD: INTRODUCCION A LOS FLUIDOS EN MOVIMIENTO COMPETENCIAS A DESARROLLAR: El estudiante estará en capacidad de caracterizar física y matemáticamente de forma global, el comportamiento de las diferentes variables presentes en el análisis de fluidos en movimiento. CONTENIDOS

Descripción del movimiento de fluidos. Clasificación de los flujos de fluidos. La ecuación de Bernoulli.

ACTIVIDADES A DESARROLLAR POR EL PROFESOR

Presentación magistral del tema con teoría asociada y ejemplos de aplicación, motivación al estudio del tema para debatirlo durante la clase y desarrollo de problemas al final de la clase.

HORAS CONTACTO DIRECTO

ACTIVIDADES A DESARROLLAR POR EL ESTUDIANTE

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Desarrollo de Problemas del libro guía, complementados con la realización de algunas lecturas para una comprensión de la caracterización física y matemática del comportamiento de las diferentes variables presentes en el análisis de fluidos en

HORAS TRABAJO INDEPEND IENTE

7

HORAS ACOMPAÑAMIEN TO AL TRABAJO INDEPENDIENTE

3

ESTRATEGIAS DE EVALUACIÓN QUE INCLUYA LA EVALUACIÓN DEL TRABAJO INDEPENDIENTE

Motivación de los estudiantes a la participación en clase con notas apreciativas para estimular el debate en el transcurso de la misma.

8

Práctica 2: Visualización del Régimen de Flujo de un Fluido. Práctica 3: Demostración del Teorema de Bernoulli.

Explicación de los procedimientos para el desarrollo de la Práctica 2 y 3.

movimiento.

UNIDAD Nº: 4 NOMBRE DE LA UNIDAD: FORMAS DIFERENCIALES E INTEGRALES DE LAS LEYES FUNDAMENTALES COMPETENCIAS A DESARROLLAR: El estudiante estará en capacidad de manejar adecuadamente las diferentes formas integrales y diferenciales de las leyes fundamentales de la física como conservación de masa, conservación de energía y conservación de Momentum para luego aplicarlas correctamente en los diferentes problemas reales de la ingeniería. CONTENIDOS

Conservación de la masa. Ecuación integral de la Energía. Ecuación integral de cantidad de movimiento. Ecuación integral de momento de cantidad de movimiento. Ecuación diferencial de continuidad. Ecuación diferencial de cantidad de movimiento. Ecuación diferencial

ACTIVIDADES A DESARROLLAR POR EL PROFESOR

HORAS CONTACTO DIRECTO

Presentación magistral del tema con teoría asociada y ejemplos de aplicación, motivación al estudio del tema para debatirlo durante la clase y desarrollo de problemas al final de la clase.

ACTIVIDADES A DESARROLLAR POR EL ESTUDIANTE

HORAS TRABAJO INDEPEND IENTE

HORAS ACOMPAÑAMIEN TO AL TRABAJO INDEPENDIENTE

Desarrollo de Problemas del libro guía, complementados con la realización de algunas lecturas para una comprensión la importancia de al aplicación correcta de las diferentes 10

formas integrales y diferenciales de las leyes fundamentales de la física como conservación de masa, conservación de energía y conservación de Momentum.

ESTRATEGIAS DE EVALUACIÓN QUE INCLUYA LA EVALUACIÓN DEL TRABAJO INDEPENDIENTE

Motivación de los estudiantes a la participación en clase con notas apreciativas para estimular el debate en el transcurso de la misma.

10

4

9

de energía.

UNIDAD Nº: 5 NOMBRE DE LA UNIDAD: ANALISIS DIMENSIONAL Y SIMILITUD COMPETENCIAS A DESARROLLAR: El estudiante estará en capacidad de aplicar adecuadamente el análisis dimensional (Teorema de π-Buckingham) para desarrollar prototipos y simulaciones de sistemas de transporte de fluidos. CONTENIDOS

Análisis dimensional. Similitud. Ecuaciones diferenciales normalizadas.

ACTIVIDADES A DESARROLLAR POR EL PROFESOR

Presentación magistral del tema con teoría asociada y ejemplos de aplicación, motivación al estudio del tema para debatirlo durante la clase y desarrollo de problemas al final de la clase.

HORAS CONTACTO DIRECTO

ACTIVIDADES A DESARROLLAR POR EL ESTUDIANTE

HORAS TRABAJO INDEPEND IENTE

HORAS ACOMPAÑAMIEN TO AL TRABAJO INDEPENDIENTE

Desarrollo de Problemas del libro guía, complementados con la realización de algunas lecturas aplicando 4

adecuadamente el análisis dimensional (Teorema de πBuckingham) para desarrollar prototipos y simulaciones de sistemas de transporte de fluidos.

ESTRATEGIAS DE EVALUACIÓN QUE INCLUYA LA EVALUACIÓN DEL TRABAJO INDEPENDIENTE

Motivación de los estudiantes a la participación en clase con notas apreciativas para estimular el debate en el transcurso de la misma. 4

1.5

UNIDAD Nº: 6 NOMBRE DE LA UNIDAD: FLUJOS INTERNOS COMPETENCIAS A DESARROLLAR: El estudiante estará en capacidad de aplicar adecuadamente los procedimientos para analizar el fenómeno de transporte de fluidos en tuberías circulares y rectangulares teniendo en cuenta los factores presentes que inciden en las pérdidas de energía del fluido. CONTENIDOS

ACTIVIDADES A DESARROLLAR POR EL PROFESOR

HORAS CONTACTO DIRECTO

ACTIVIDADES A DESARROLLAR POR EL ESTUDIANTE

HORAS TRABAJO INDEPEND IENTE

HORAS ACOMPAÑAMIEN TO AL TRABAJO INDEPENDIENTE

ESTRATEGIAS DE EVALUACIÓN QUE INCLUYA LA EVALUACIÓN DEL TRABAJO INDEPENDIENTE

1

Flujo laminar en un tubo. Flujo laminar entre placas paralelas. Flujo laminar entre cilindros rotatorio. Flujo turbulento en un tubo. Flujo uniforme turbulento en canales abiertos.

Presentación magistral del tema con teoría asociada y ejemplos de aplicación, motivación al estudio del tema para debatirlo durante la clase y desarrollo de problemas al final de la clase.

Desarrollo de Problemas del libro guía, complementados con la realización de algunas lecturas aplicando

13

adecuadamente los procedimientos para analizar el fenómeno de transporte de fluidos en tuberías circulares y rectangulares teniendo en cuenta los factores presentes que inciden en las pérdidas de energía del fluido.

Motivación de los estudiantes a la participación en clase con notas apreciativas para estimular el debate en el transcurso de la misma.

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4

UNIDAD Nº: 7 NOMBRE DE LA UNIDAD: FLUJO EN CANALES ABIERTOS COMPETENCIAS A DESARROLLAR: El estudiante estará en capacidad de aplicar adecuadamente los procedimientos para analizar el fenómeno de transporte de fluidos en canales abierto de formas regulares e irregulares teniendo en cuenta los factores presentes que inciden en las pérdidas de energía del fluido. CONTENIDOS

Flujos de canal abierto. Flujo Uniforme. Conceptos de Energía en Flujo de Canal Abierto. Conceptos de Momentum en Flujos de Canal Abierto. Flujo no Uniforme gradualmente Variado.

ACTIVIDADES A DESARROLLAR POR EL PROFESOR

Presentación magistral del tema con teoría asociada y ejemplos de aplicación, motivación al estudio del tema para debatirlo durante la clase y desarrollo de problemas al final de la clase.

HORAS CONTACTO DIRECTO

ACTIVIDADES A DESARROLLAR POR EL ESTUDIANTE

HORAS TRABAJO INDEPEND IENTE

HORAS ACOMPAÑAMIEN TO AL TRABAJO INDEPENDIENTE

Desarrollo de Problemas del libro guía, complementados con la realización de algunas lecturas aplicando 10

adecuadamente los procedimientos para analizar el fenómeno de transporte de fluidos en canales abierto de formas regulares e irregulares teniendo en cuenta los factores presentes que inciden en las

ESTRATEGIAS DE EVALUACIÓN QUE INCLUYA LA EVALUACIÓN DEL TRABAJO INDEPENDIENTE

Motivación de los estudiantes a la participación en clase con notas apreciativas para estimular el debate en el transcurso de la misma. 10

4

1

Análisis Numérico de Perfiles de Superficie de Agua.

pérdidas de energía del fluido.

UNIDAD Nº: 8 NOMBRE DE LA UNIDAD: FLUJOS EN SISTEMAS DE TUBERÍAS COMPETENCIAS A DESARROLLAR: El estudiante estará en capacidad de aplicar adecuadamente los procedimientos para analizar el fenómeno de transporte de fluidos en sistemas de tuberías constituidos por una gran diversidad de accesorios y materiales, factores claves para el análisis de energía y además teniendo en cuenta los factores presentes que inciden en las pérdidas de energía del fluido. CONTENIDOS

ACTIVIDADES A DESARROLLAR POR EL PROFESOR

HORAS CONTACTO DIRECTO

Presentación magistral del Pérdidas en tema con teoría asociada y Sistemas de ejemplos de aplicación, Tuberías. motivación al estudio del Sistemas de Tubos tema para debatirlo durante Simples. la clase y desarrollo de Análisis de Redes de problemas al final de la Tubos. clase.

Flujo Inestable en tuberías. Teoría de la capa limite. Práctica 4: Estudio de las Pérdidas de Energía en Tuberías. Práctica 5: Pérdidas de Energía por Accesorios en Conductos.

ACTIVIDADES A DESARROLLAR POR EL ESTUDIANTE

HORAS TRABAJO INDEPEND IENTE

HORAS ACOMPAÑAMIEN TO AL TRABAJO INDEPENDIENTE

Desarrollo de Problemas del libro guía, complementados con la realización de algunas lecturas de aplicar

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adecuadamente los procedimientos para analizar el fenómeno de transporte de fluidos en sistemas de tuberías constituidos por una gran diversidad de accesorios y materiales, factores claves para el análisis de energía y además teniendo en cuenta los factores presentes que inciden en las pérdidas de energía del fluido.

ESTRATEGIAS DE EVALUACIÓN QUE INCLUYA LA EVALUACIÓN DEL TRABAJO INDEPENDIENTE

Motivación de los estudiantes a la participación en clase con notas apreciativas para estimular el debate en el transcurso de la misma.

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