Diferencia entre revisiones de «Flujo de Poiseuille (GRUPO 15)»

Revisión del 20:03 30 nov 2024

1 Introducción

La ley de Poiseuille determina el flujo laminar en un tubo con sección cilíndrica constante que describe el movimiento de un fluido viscoso (newtoniano) bajo condiciones estacionarias en el interior del conducto. Supondremos en este caso que esta centrado en el eje OZ con radio 2.

Hallamos con la función velocidad [math]\vec{u}(\rho,\theta,z)= f\left(\rho\right)\vec{e_{z}},[/math] y presión [math]p\left(x,y\right)=p_{1}+\left (p_{2}-p_{1}\right)(z-1)[/math] sus respectivas gráficas y estudiaremos los vectores ortogonales de [math]\vec{u}(\rho,\theta,z)[/math].

Además analizaremos la temperatura: [math]T\left (\rho,\theta,z\right)=1 +\left (\rho-\frac{1}{2}\right)^{2}e^{-\left(z-1\right)^{2}},[/math] para obtener el rotacional y sus campos de temperaturas.

Para este artículo, hemos hecho uso del programa Matlab para la representación grafica de los resultados, con el fin de visualizar mejor las interpretaciones de dicha Ley.

2 Sección transversal

3 Ecuación de Navier-Stokes

Las ecuaciones de Navier-Stokes describen el movimiento de fluidos incompresibles y viscosos, se consideran fuerzas como la presión, la viscosidad y fuerzas externas. Son fundamentales en dinámica de fluidos para modelar fenómenos como flujos laminares, turbulentos y transporte en diversos medios. Con la ecuación de la velocidad de partículas [math]\vec{u}(\rho,\theta,z)= f\left(\rho\right)\vec{e_{z}},[/math] y presión [math]p\left(x,y\right)=p_{1}+\left (p_{2}-p_{1}\right)(z-1)[/math] donde [math]p_{1}[/math] es la presión en [math]z = 1[/math], [math]p_{2}[/math] en [math]z = 5[/math] y [math] \mu [/math] es la viscosidad.

La ecuación de Navier-Stokes : [math] \left ( \vec{u}\cdot \triangledown \right )\vec{u}+\triangledown p=\mu\Delta\vec{u}, [/math].

Donde [math]\vec{u}(\rho,\theta,z)[/math] satisface esta ecuación la cual es independiente del tiempo y se desprecia el primer termino

Se comprobara que [math]\vec{f}(\rho)[/math] cumpla la ecuación:

Resolvemos:

1) Multiplicamos por [math] \rho[/math]

[math] \frac{\partial}{\partial \rho}\left (\rho \frac{\partial f\left(\rho\right)}{\partial\rho}\right)=\rho\frac{p_{2}-p_{1}}{\mu} [/math]

2) Integramos

[math]\int_{}^{}\frac{\partial}{\partial \rho}\left (\rho \frac{\partial f\left(\rho\right)}{\partial\rho}\right)\partial\rho=\frac{p_{2}-p_{1}}{\mu}\int_{}^{}\rho\partial\rho[/math]

[math]\rho \frac{\partial f\left ( \rho \right )}{\partial \rho } = \frac{\left ( p_{2}-p_{1} \right )}{\mu} \cdot \frac{\rho^{2}}{2} + C_{1} [/math]

[math] \frac{\partial f\left ( \rho \right )}{\partial \rho } = \frac{\left ( p_{2}-p_{1} \right )}{\mu} \cdot \frac{\rho}{2} + \frac{C_{1}}{\rho} [/math]

3)Integramos por segunda vez [math]\int_{}^{}[/math]

[math]\int_{}^{} \frac{\partial f\left ( \rho \right )}{\partial \rho }\partial \rho = \frac{\left ( p_2-p_1 \right )}{\mu} \cdot \int_{}^{}(\frac{\rho}{2} + \frac{C_1}{\rho}) \partial \rho[/math]

Obtenemos la función: [math] {f(\rho)} = (\frac{p_2-p_1}{\mu})\frac{\rho^{2}}{4} + C_1\ln(\rho) + C_2[/math].

Tomamos valor [math]\rho = 3 , \rho= 0[/math] para encontrar valor a las constantes [math] C_1, C_2 [/math] donde la velocidad [math]\vec{u}(\rho,\theta,z)[/math] es nula.

• Condición 1:[math] f(\rho) = 0 [/math]para[math] \rho = 3:[/math]

[math]0 = \frac{3^2}{4} \frac{p_2 - p_1}{4 \mu} + C_1 \ln(3) + C_2.[/math]

• Condición 2: [math]f(\rho)[/math] no diverge para [math]\rho = 0:[/math]

Para evitar divergencias, se impone [math]C_1 = 0[/math], ya que el término [math]\ln(\rho)[/math] diverge cuando [math]\rho \to 0[/math].

Sustituyendo [math]C_1 = 0[/math] en la ecuación:

[math]0 = \frac{9}{4} \frac{p_2 - p_1}{4 \mu} + C_2[/math].

De aquí, se obtiene:

[math]C_2 = -\frac{9}{4} \frac{p_2 - p_1}{4 \mu}.[/math]

La solución final es: [math] f(\rho) = \frac{\rho^2}{4} \frac{p_2 - p_1}{4 \mu} - \frac{9}{4} \frac{p_2 - p_1}{4 \mu}.[/math]

Verificamos la condición de incomprensibilidad, que establece que el fluido debe conservar su volumen

donde [math]\nabla \cdot \mathbf{u} [/math] es la divergencia del campo de velocidad de [math]\vec{u}(\rho,\theta,z)= f\left(\rho\right)\vec{e_{z}},[/math] lo que significa que solo tiene componente en la dirección [math]z [/math] y esta depende únicamente de [math] \rho [/math].

Por lo tanto, todos los términos de la divergencia son cero, y se verifica que el fluido es incompresible.