Este documento presenta conceptos fundamentales sobre flujo de fluidos en tuberías, incluyendo definiciones de fluidos newtonianos y no newtonianos, viscosidad, ley de viscosidad de Newton, flujos laminar y turbulento, pérdidas continuas y localizadas, y un ejemplo de cálculo de flujo usando el método de Hardy Cross.

1. República Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder Popular para la Educación
Instituto Universitario Politécnico
“Santiago Mariño”
Cátedra: Mecánica de Fluidos II
Realizado por:
Lisbeth del Carmen Lara Hernández
C.I. 15.953.943
Ingeniería Civil
Profesor: Julián Carneiro
FLUJO A PRESION EN
TUBERIAS

2. • El desarrollo de una descripción analítica de un fluido en
movimiento se basa en la expresión de leyes físicas
relacionadas con el flujo de fluidos, en una forma matemática
apropiada. La mecánica de fluidos en fusión con otras ciencias
se ha encargado del estudio de estos, ésta tarea no ha sido
nada fácil, pero se ha logrado ciertos avances muy importantes
que han sido recogidos en diferentes industrias, en especial, la
industria petrolera.
• Como cada área de estudio tiene su fraseología y
nomenclaturas propias, empezaremos introduciendo
definiciones y conceptos básicos para tener una base de
comunicación.

3. Los fluidos se definen como
aquellas sustancias que son
incapaces de resistir esfuerzos
cortantes. Cuando sometemos un
cuerpo sólido a la acción de un
sistema de esfuerzos cortantes,
experimenta una deformación bien
definida; por el contrario, los fluidos
se deforman continuamente bajo la
acción de los esfuerzos cortantes.
De una forma muy general,
podemos clasificar los fluidos de
acuerdo con la relación existente
entre el esfuerzo cortante aplicado y
la velocidad de deformación que se
produce en el fluido en:
newtonianos y no newtonianos

4. FLUIDOS REALES
 Los fluidos reales se distinguen de los ideales en que poseen una
cierta viscosidad, es decir, un rozamiento interior que origina
tensiones tangenciales entre los filetes fluidos.
 Cuando un elemento de fluido se mueve respecto a los elementos
contiguos, este movimiento es obstaculizado por la existencia de
esfuerzos tangenciales o cortantes que tienden a disminuir la
velocidad relativa del elemento considerado con respecto a los
elementos contiguos. Entonces se dice que el fluido es viscoso, y el
fenómeno recibe el nombre de viscosidad

5.  Además de esto los fluidos reales también poseen una cierta
COMPRESIBILIDAD (los fluidos pueden dividirse en dos tipos
COMPRESIBLES E INCOMPRESIBLES
 Podemos considerar la viscosidad como una especie de
rozamiento interno en los fluidos, en virtud del cual aparecen
esfuerzos cortantes sobre la superficie de un elemento de
fluido en movimiento relativo respecto al resto del fluido.
Tanto los líquidos como los gases presentan viscosidad,
aunque los primeros son mucho más viscosos que los
segundos

6. Los fluidos
newtonianos, están
basados en la ley de
newton de los fluidos y
que dice que el esfuerzo
tangencial es
proporcional a la tasa de
variación de la
velocidad, con una alta
influencia de la
temperatura, en otras
palabras obedecen a un
cambio en la viscosidad,
newtonianos: agua,
aceites….

7. Los que no la cumplen se llaman no newtonianos, no
newtonianos: seudoplasticos, elastómeros, resinas, gelatinas,
etc.
FLUIDO NEWTONIANO
n fluido newtoniano es un fluido con viscosidad en que las
tensiones tangenciales de rozamiento son directamente
proporcionales al gradiente de velocidades.
Un buen número de fluidos comunes se comportan como
fluidos newtonianos bajo condiciones normales de presión y
temperatura: el aire, el agua, la gasolina y algunos aceites
minerales .

8. VISCOSIDAD
La viscosidad es el rozamiento interno
entre las capas de fluido. A causa de la
viscosidad, es necesario ejercer una
fuerza para obligar a una capa de fluido a
deslizar sobre otra

9. LEY DE LA VISCOSIDAD DE NEWTON
Al comienzo hemos definido los fluidos
como aquellas sustancias que son
incapaces de resistir esfuerzos cortantes.
Cuando sometemos un cuerpo sólido a la
acción de un sistema de esfuerzos
cortantes, experimenta una deformación
bien definida; por el contrario, los fluidos
se deforman continuamente bajo la acción
de los esfuerzos cortantes.
viene expresado por:

10. (Donde ΔSy es el área del elemento de fluido que está
en contacto con la lámina móvil.)
la ley de la viscosidad de Newton puede expresarse
como

11. Cuando deseamos calcular el esfuerzo cortante en un fluido, resulta
ciertamente deseable formular una expresión de la velocidad de
deformación dα/dt en función de magnitudes más fácilmente medibles.
Para eso, consideraremos el desplazamiento lineal Δξ experimentado
por la lámina móvil durante el intervalo de tiempo Δt, que vendrá dado
por

12. Δt y que es el mismo que habrá experimentado la superficie del
elemento de fluido que está en contacto con dicha lámina móvil.
Puesto que el ángulo Δα es muy pequeño, también podemos
escribir

13. de modo que igualando ambas expresiones se obtiene
y tomando límites en ambos miembros de esta igualdad resulta

14. de modo que la velocidad de deformación del elemento fluido es igual al
gradiente transversal de velocidad en el mismo. De acuerdo con este
resultado, la ley de viscosidad de Newton se escribe en la forma
Ahora consideraremos una situación algo más general, en la que un
fluido viscoso fluye en régimen laminar, de modo que las partículas
fluidas se mueven con trayectorias rectilíneas y paralelas.

15. Los esfuerzos cortantes sobre las caras superior e inferior vendrán
expresados por:

16. Coeficiente de viscosidad.-
Introduciendo un coeficiente de proporcionalidad adecuado para cada
sustancia fluida, la proporcionalidad que expresa la ley de viscosidad de
Newton se convierte en igualdad; esto es:

17. El coeficiente η recibe el nombre de coeficiente de viscosidad absoluta o
dinámica, o simplemente coeficiente de viscosidad, y representa el cociente
entre el esfuerzo tangencial o cortante y el gradiente transversal de velocidad;
es decir

18. Los movimientos de circulación de los fluidos se pueden dividir en dos
tipos:
1. Movimientos laminares, o de Poiseuille, que son flujos regulares
en los que la masa fluida esta formada por filetes yuxtapuestos,
perfectamente individualizados, en los que las superficies libres son
lisas y unidas; en realidad sólo se dan en algunos casos muy
particulares o en fluidos muy viscosos; el número de Reynolds en flujos
por el interior de tubos es inferior a 2.000. Debido a esas fuerzas
viscosas las velocidades del fluido en una sección perpendicular a la
corriente no son iguales, pues existe un rozamiento interno.

19. 2. Movimientos turbulentos, o hidráulicos, en los que los filetes
líquidos se entrecruzan no conservan su individualidad; las
superficies libres son turbulentas y estriadas, y son los movimientos
que con más frecuencia se presentan en la práctica.
Puede observarse la transición del flujo laminar al turbulento y la
complejidad del flujo turbulento cuando el humo de un cigarrillo
asciende en aire muy tranquilo. Al principio, sube con un
movimiento laminar a lo largo de líneas de corriente, pero al cabo
de cierta distancia se hace inestable y se forma un sistema de
remolinos entrelazados.
Puede observarse la transición del flujo laminar al turbulento y la
complejidad del flujo turbulento cuando el humo de un cigarrillo
asciende en aire muy tranquilo. Al principio, sube con un
movimiento laminar a lo largo de líneas de corriente, pero al cabo
de cierta distancia se hace inestable y se forma un sistema de
remolinos entrelazados.

20. Puede observarse la transición del flujo laminar al
turbulento y la complejidad del flujo turbulento cuando
el humo de un cigarrillo asciende en aire muy tranquilo.
Al principio, sube con un movimiento laminar a lo largo
de líneas de corriente, pero al cabo de cierta distancia
se hace inestable y se forma un sistema de remolinos
entrelazados.

21. Pérdidas continuas
 Las pérdidas por rozamientos son función de la rugosidad del
conducto, de la viscosidad del fluido, del régimen de
funcionamiento (flujo laminar o flujo turbulento) y del caudal
circulante, es decir de la velocidad (a más velocidad, más
pérdidas).
 Si es L la distancia entre los puntos 1 y 2 (medidos a lo largo de
la conducción), entonces el coeficiente (pérdidas (1,2)) / L
representa la pérdida de altura por unidad de longitud de la
conducción se le llama pendiente de la línea de energía.
Denominemosla Jl

22.  Cuando el flujo es turbulento (número de Reynolds superior a
4.000; 2000<Re< 4000 es el flujo de transición; Re<2000 flujo
laminar), lo que ocurre en la práctica totalidad de los casos,
existen varias fórmulas, tanto teóricas (Ecuación de Darcy-
Weisbach), como experimentales (ecuación de Hazen-Williams,
ecuación de Manning, etc), que relacionan la pendiente de la
línea de energía con la velocidad de circulación del fluido. Quizás
la más sencilla y más utilizada sea la fórmula de Manning:

23. V = K . R_h^{2/3} . J^{0,5}
V = velocidad del agua (m/s)
K = coeficiente de rugosidad, depende del material de la tubería
y del estado de esta. Existen varias expresiones para este
coeficiente calculados en forma experimental por varios
investigadores como: Manning; Bazin; Kutter; Strickler, entre
otros.
Rh = radio hidráulico de la sección = Área mojada / Perímetro
mojado (un cuarto del diámetro para conductos circulares a
sección llena) (m)
J = gradiente de energía (m/m)

24. Pérdidas localizadas
En el caso de que entre las dos secciones de aplicación del Principio
de Bernoulli existan puntos en los que la línea de energía sufra
pérdidas localizadas (salidas de depósito, codos, cambios bruscos de
diámetro, válvulas, etc), las correspondientes pérdidas de altura se
suman a las correspondientes por rozamiento. En general, todas las
pérdidas localizadas son solamente función de la velocidad, viniendo
ajustadas mediante expresiones experimentales del tipo:
pl= K x V^2/2g
donde pl es la pérdida localizada
Los coeficientes K se encuentran tabulados en la literatura técnica
especializada, o deben ser proporcionados por los fabricantes de
piezas para conducciones.

25. Proceso de Calculo
 En el diseño y cálculo práctico de conducciones de agua, se parte de que
la geometría de la conducción, es decir las alturas geométricas h, son
conocidas.
 Se hace coincidir la primera sección de cálculo con un punto en que las
condiciones de velocidad y presión son también conocidas, por ejemplo la
lámina de un depósito (presión nula sobre la presión atmosférica y
velocidad nula).
 Conocida la presión o la velocidad en cualquier otro punto de la conducción
(por ejemplo en un punto de toma, presión nula), aplicando los conceptos
expuestos se puede determinar la velocidad y consecuentemente el
caudal.

26.  Por supuesto el proceso es iterativo. Inicialmente se supone que el
conjunto de pérdidas localizadas (sumatorio de coeficientes K) es nulo, con
lo que se determina una velocidad inicial de circulación V0. A partir de esta
velocidad se introducen las pérdidas localizadas, obteniendo V1 y así
sucesivamente, hasta que (Vi - Vj) de las dos últimas iteraciones sea tan
pequeño como se desee. Normalmente se obtiene convergencia suficiente
con un par de iteraciones.

27. Ejemplo Practico
Sea el sistema hidráulico de la figura compuesto por los siguientes elementos:
Depósito de cabecera (1), cuya lámina de agua se supone constante, y a cota
+70,00
Depósito de cola (3), mismas condiciones, cota +20,00
Conducción de unión, PVC, diámetro 300, longitud entre los depósitos 2.000 m
Punto bajo en esta conducción, situado a 1.500 m del depósito de cabecera, a
cota 0,00. Existe una toma con válvula por donde se puede derivar caudal.
En estas condiciones, despreciando las pérdidas localizadas, y admitiendo que
para el PVC el factor (1/n) en la fórmula de Manning vale 100, determinar.
Con la válvula de toma en el punto bajo cerrada, el caudal que fluye del
depósito de cabecera al de cola.
Determinar el máximo valor del caudal que puede evacuarse por el punto bajo
(2) con la condición de que del depósito (3) no entre ni salga agua. En esta
hipótesis, ¿cual es el valor de la presión en (2)?
Determinar el máximo caudal que puede evacuarse por la toma (2)

29. Primer caso
En la superficie de los depósitos P1=P3=0 (atmosférica). En esos
puntos V1=V3=0 (se supone lámina de agua constante).
Entonces, la aplicación del Principio de Bernoulli al tramo 1-3
expresa: (h1-h3) = pérdidas(1,3) = 50 m
La pérdida por rozamiento J, resultará: J = 50 /2000 = 0,025
Aplicando Manning al conducto :
Q = V.A = 2,85.0,3^2.3,14/4 <> 0,201 m³/s <> 201 l/s

30. EL MÉTODO DE HARDY CROSS
GENERALIDADES
El Método de Aproximaciones Sucesivas, de Hardy Cross, está basado en
el cumplimiento de dos principios o leyes:
Ley de continuidad de masa en los nudos;
Ley de conservación de la energía en los circuitos.
El planteamiento de esta última ley implica el uso de una ecuación de
pérdida de carga o de "pérdida" de energía, bien sea la ecuación de Hazen
& Williams o, bien, la ecuación de Darcy & Weisbach.
La ecuación de Hazen & Williams, de naturaleza empírica, limitada a
tuberías de diámetro mayor de 2", ha sido, por muchos años, empleada
para calcular las pérdidas de carga en los tramos de tuberías, en la
aplicación del Método de Cross. Ello obedece a que supone un valor
constante par el coeficiente de rugosidad, C, de la superficie interna de la
tubería, lo cual hace más simple el cálculo de las "pérdidas" de energía.

31. La ecuación de Darcy & Weisbach, de naturaleza racional y de uso
universal, casi nunca se ha empleado acoplada al método de Hardy
Cross, porque involucra el coeficiente de fricción, f, el cual es función
de la rugosidad, k, de la superficie interna del conducto, y el número
de Reynolds, R, de flujo, el que, a su vez depende de la temperatura
y viscosidad del agua, y del caudal del flujo en las tuberías.
Como quiera que el Método de Hardy Cross es un método iterativo
que parte de la suposición de los caudales iniciales en los tramos,
satisfaciendo la Ley de Continuidad de Masa en los nudos, los cuales
corrige sucesivamente con un valor particular, D Q, en cada iteración
se deben calcular los caudales actuales o corregidos en los tramos
de la red. Ello implica el cálculo de los valores de R y f de todos y
cada uno de los tramos de tuberías de la red, lo cual sería inacabable
y agotador si hubiese que "hacerlo a uña" con una calculadora
sencilla. Más aún, sabiendo que el cálculo del coeficiente de fricción,
f, es también iterativo, por aproximaciones sucesiva.

32. Lo anterior se constituía, hasta hoy, en algo prohibitivo u obstaculizador,
no obstante ser la manera lógica y racional de calcular las redes de
tuberías.
Hoy, esto será no sólo posible y fácil de ejecutar con la ayuda del
programa en lenguaje BASIC que aquí se presenta, sino también
permitirá hacer modificaciones en los diámetros de las tuberías y en los
caudales concentrados en los nudos, y recalcular la red completamente
cuantas veces sea conveniente.