MECÁNICA DE FLUIDOS [PDF]
Fundamentos y Aplicaciones
Autor: Yunus A. Cengel - John M. Cimbala
Mc Graw Hill
Primera Edición
PRESENTACIÓN
La mecánica de fluidos es una materia excitante y fascinante, con un número ilimitado de aplicaciones prácticas que van desde sistemas biológicos microscópicos hasta automóviles, aviones y propulsión de las naves espaciales. Sin embargo, la mecánica de fluidos ha sido una de las materias que presentan mayores desafíos a estudiantes de licenciatura. A diferencia de las primeras materias del primero y segundo años de estudios, como la física, la química y la mecánica para ingeniería, en donde a menudo los estudiantes aprenden las ecuaciones y, a continuación, las “teclean y se las sorben de un trago” en sus calculadoras, el análisis adecuado en la mecánica de fluidos requiere mucho más. En primer lugar deben valorar el problema, establecer suposiciones y/o aproximaciones y justificarlas, aplicar las leyes físicas pertinentes en sus formas apropiadas y resolver las ecuaciones resultantes antes de que puedan teclear algún número en sus calculadoras. Muchos problemas de la mecánica de fluidos requieren más que únicamente conocer la materia, también exigen intuición física y experiencia. Tenemos esperanza en que este libro, a través de sus explicaciones cuidadosas de los conceptos y mediante su uso de numerosos ejemplos prácticos, esquemas, figuras y fotografías, tienda el puente entre el conocimiento y la aplicación adecuada del mismo.
La mecánica de fluidos es una materia madura; las ecuaciones y aproximaciones básicas se encuentran establecidas adecuadamente y se pueden hallar en numerosas obras de introducción a la misma. Los libros se distinguen entre sí por la manera en que se presenta el material. Un libro accesible sobre mecánica de fluidos debe presentar el material en orden progresivo, desde lo sencillo hasta lo más difícil, donde cada capítulo posterior se encuentre firmemente establecido sobre los fundamentos que se presentaron en los capítulos anteriores. De esta manera, incluso los aspectos de la materia que por lo general representan un reto mayor se pueden aprender con efectividad. Por su propia naturaleza, la mecánica de fluidos es —de manera preponderante— una materia que debe ilustrarse, de esta forma los estudiantes la aprenden con más facilidad mediante la simulación visual. Por lo tanto, resulta imperativo que un buen libro sobre mecánica de fluidos presente figuras, fotografías y material visual adicional de calidad que ayuden a explicar la importancia y el significado de las expresiones matemáticas.
CONTENIDO
CAPÍTULO UNO
INTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS BÁSICOS
1-1 Introducción
1-2 La condición de no-deslizamiento
1-3 Breve historia de la mecánica de fluidos
1-4 Clasificación de los flujos de fluidos
1-5 Sistema y volumen de control
1-6 Importancia de las dimensiones y de las unidades
1-7 Modelado matemático de los problemas de ingeniería
1-8 Técnica para la resolución de problemas
1-9 Paquetes de software para ingeniería
1-10 Exactitud, precisión y dígitos significativos
CAPÍTULO DOS
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
2-1 Introducción
2-2 Densidad y gravedad específica
2-3 Presión de vapor y cavitación
2-4 Energía y calores específicos
2-5 Coeficiente de compresibilidad
2-6 Viscosidad
2-7 Tensión superficial y efecto de capilaridad
CAPÍTULO TRES
PRESIÓN Y ESTÁTICA DE FLUIDOS
3-1 Presión
3-2 El manómetro
3-3 El barómetro y la presión atmosférica
3-4 Introducción a la estática de fluidos
3-5 Fuerzas hidrostáticas sobre superficies planas sumergidas
3-6 Fuerzas hidrostáticas sobre superficies curvas sumergidas
3-7 Flotación y estabilidad
3-8 Fluidos en el movimiento del cuerpo rígido
CAPÍTULO CUATRO
CINEMÁTICA DE FLUIDOS
4-1 Descripciones lagrangiana y euleriana
4-2 Fundamentos de visualización del flujo
4-3 Gráficas de los datos sobre flujo de fluidos
4-4 Otras descripciones cinemáticas
4-5 El teorema del transporte de Reynolds
CAPÍTULO CINCO
ECUACIÓN DE CONSERVACIÓN DE MASA, DE BERNOULLI Y DE LA ENERGÍA
5-1 Introducción
5-2 Conservación de la masa
5-3 Energía mecánica y eficiencia
5-4 La ecuación de Bernoulli
5-5 Aplicaciones de la ecuación de Bernoulli
5-6 Ecuación general de la energía
5-7 Análisis de energía de los flujos estacionarios
CAPÍTULO SEIS
ANÁLISIS DE LA CANTIDAD DE MOVIMIENTO DE LOS SISTEMAS DE FLUJO
6-1 Leyes de Newton y conservación de la cantidad de movimiento
6-2 Elección de un volumen de control
6-3 Fuerzas que actúan sobre un volumen de control
6-4 La ecuación del momento lineal
6-5 Repaso del movimiento rotacional y del momento angular
6-6 La ecuación del momento angular
CAPÍTULO SIETE
ANÁLISIS DIMENSIONAL Y MODELADO
7-1 Dimensiones y unidades
7-2 Homogeneidad dimensional
7-3 Análisis dimensional y similitud
7-4 El método de repetición de variables y el teorema Pi de Buckingham
7-5 Pruebas experimentales y similitud incompleta
CAPÍTULO OCHO
FLUJO EN TUBERÍA
8-1 Introducción
8-2 Flujos laminar y turbulento
8-3 La región de entrada
8-4 Flujo laminar en tuberías
8-5 Flujo turbulento en tuberías
8-6 Pérdidas menores
8-7 Redes de tuberías y selección de bomba
8-8 Medición de razón de flujo y de velocidad
CAPÍTULO NUEVE
ANÁLISIS DIFERENCIAL DE FLUJO DE FLUIDOS
9-1 Introducción
9-2 Conservación de masa: la ecuación de continuidad
9-3 La función de corriente
9-4 Conservación de cantidad de movimiento lineal: ecuación de Cauchy
9-5 La ecuación de Navier-Stokes
9-6 Análisis diferencial de problemas de flujo de fluidos
CAPÍTULO DIEZ
SOLUCIONES APROXIMADAS DE LA ECUACIÓN DE NAVIER-STOKES
10-1 Introducción
10-2 Ecuaciones de movimiento sin dimensiones
10-3 Aproximación de flujo de Stokes
10-4 Aproximación para regiones invíscidas de flujo
10-5 La aproximación de flujo irrotacional
10-6 La aproximación de la capa límite
CAPÍTULO ONCE
FLUJO SOBRE CUERPOS: ARRASTRE Y SUSTENTACIÓN
11-1 Introducción
11-2 Arrastre y sustentación
11-3 Arrastre debido a fricción y a presión
11-4 Coeficientes de arrastre de geometrías comunes
11-5 Flujo paralelo sobre placas planas
11-6 Flujo sobre cilindros y esferas
11-7 Sustentación
CAPÍTULO DOCE
FLUJO COMPRESIBLE
12-1 Propiedades de estancamiento
12-2 Velocidad del sonido y número de Mach
12-3 Flujo isentrópico unidimensional
12-4 Flujo isentrópico en toberas
12-5 Ondas de choque y ondas de expansión
12-6 Flujo en ducto con transferencia de calor de fricción despreciable (flujo de Rayleigh)
12-7 Flujo adiabático en un ducto con fricción (flujo de Fanno)
CAPÍTULO TRECE
FLUJO EN CANAL ABIERTO
13-1 Clasificación de flujos en canales abiertos
13-2 Número de Froude y velocidad de onda
13-3 Energía específica
13-4 Ecuaciones de energía y continuidad
13-5 Flujo uniforme en canales
13-6 Mejores secciones transversales hidráulicas
13-7 Flujo de variación gradual
13-8 Flujo de variación rápida y salto hidráulico
13-9 Control y medida del flujo
CAPÍTULO CATORCE
TURBOMAQUINARIA
14-1 Clasificaciones y terminología
14-2 Bombas
14-3 Leyes de semejanza para bombas
14-4 Turbinas
14-5 Leyes de semejanza para turbinas
CAPÍTULO QUINCE
INTRODUCCIÓN A LA DINÁMICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL
15-1 Introducción y fundamentos
15-2 Cálculos de la DFC de flujo laminar
15-3 Cálculos de la DFC turbulenta
15-4 DFC con transferencia de calor
15-5 Cálculos de la DFC de flujo compresible
15-6 Cálculos de la DFC para flujo en canal abierto
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