Flujo y Caudal

En mecánica de fluidos, los términos flujo y caudal resultan ser muy empleados, quizá muchas de las veces las personas suelen confundir estos términos coloquialmente, no obstante, el término caudal, hace referencia a la cantidad de fluido que circula a través de la sección de un ducto (sea esta tubería. oleoducto o cañería) por unidad de tiempo, es decir la razón de circulación de un fluido a través de un ducto.

El flujo por otra parte, es nada más la cantidad de fluido que circula a través de un ducto. De lo cual, se podría decir que el caudal pasa a ser la razón de cambio del flujo.

En términos matemáticos sencillos, se puede definir al caudal como:

• ${\displaystyle Q}$ Caudal ([L³T⁻¹]; m³/s)
• ${\displaystyle A}$ Es el área ([L²]; m²)
• ${\displaystyle {\bar {v}}}$ Es la velocidad promedio. ([LT⁻¹]; m/s) 

Usos del caudal en ingeniería mecánica.

El caudal puede resultar muy útil en el campo, cuando se quiere instalar una nueva tubería por donde pasará una cierta cantidad de agua, o al momento de reparar una sección de algún poliducto u oleoducto, puesto a que nos ayuda a determinar la cantidad de fluido que atraviesa por estas superficies. Además de que permite determinar el tipo de material que se debe emplear de tal manera que el caudal no afecte la integridad de la tubería o poliducto. Aunque cabe mencionar que estos estudios se ven ligados para un cierto período de tiempo, luego de esto necesariamente se debe recurrir a realizar unos nuevos, debido a ciertos factores antropológicos. 

Si bien es cierto, al momento de hablar de colectores para ríos, pensamos que esto nada más depende de ingenieros civiles, existe un estrecho vínculo con los trabajos que debe desempeñar un ingeniero mecánico puesto a que este se encarga de realizar los estudios del caudal de los ríos, y se los envía a los civiles, para que estos determinen el tipo de material que deben emplear además del tiempo de vida útil.

Principio de Bernoulli para el flujo de un fluido a través de una tubería

En mecánica de fluidos, el principio de Bernoulli, es muy empleado para describir el comportamiento de algún fluido que atraviese una determinada tubería, considerando a este como un fluido ideal, es decir sin viscosidad ni rozamiento.

Tomando en consideración esto, para cumplir con la conservación de la energía, para un fluido ideal, se expresa lo siguiente:

·         g = aceleración de la gravedad

·     {\displaystyle \rho } = densidad del fluido

·         P = presión

Sin embargo, al tratarse de fluidos reales, estos deben vencer las resistencias debido al rozamiento del fluido con las paredes de la tubería, las cuales se pueden deber a factores como: la colocación de codos, o quizá de encogimientos en la superficie lateral de la tubería; por lo cual el flujo deberá afectar de cierta forma su energía entre las secciones 1 y 2, dependientes de la altura de la tubería, con lo que la expresión anterior se convierte en:

Donde pérdidas (1,2) representa el sumando de pérdidas continuas por rozamiento en distintas secciones transversales.

Pérdidas continuas

Las pérdidas por rozamiento son función de la rugosidad del conducto, la viscosidad del fluido, del régimen del funcionamiento y del caudal. Este último término está estrechamente ligado con la velocidad, de donde se concluye que, a mayor velocidad, existen más pérdidas.

Pérdidas localizadas

Se deben a pérdidas bruscas de energía, generalmente en presencia de salidas de depósito, codos, cambios de diámetro, válvulas, etc. Estas se dan entre dos secciones donde se aplica el principio de Bernoulli.

Estas pérdidas localizadas, generalmente se dan en función de la velocidad, y se ajustan a expresiones tipo:

Donde  es la pérdida localizada y los coeficientes k, se encuentran tabulados o son proporcionados por los fabricantes piezas para conducciones.

Clasificación del flujo:

Permanente o estacionario: las características medias no varían con el tiempo.

Variable o transitorio:  varía con el tiempo (BC), por ejemplo cuando se maniobran válvulas

Uniforme: la velocidad no varía en el trayecto entre 1 y 2 es decir, el caudal es constante.

No uniforme:  varía entre 2 y v. El caudal es variante.

Laminar: es un flujo ordenado, en la misma dirección de la velocidad

Turbulento: es más desordenado, no es completamente paralelo a la velocidad.

PRINCIPIO DE CONTINUIDAD
Supongamos que a una canilla abierta que posee un cierto caudal le enchufamos una manguera. Después de un rato en que nos aseguramos que el flujo se estabiliza (o sea: logramos un flujo estacionario) no está mal decir que la canilla vierte en un extremo de la manguera una cierta cantidad de agua en una cierta cantidad de tiempo. Inventemos: por ejemplo, 10 litros por minuto. ¿Cuál es el caudal en el otro extremo de la manguera? La pregunta es tan tonta que parece absurda: 10 litros por minuto. La misma cantidad que entra por una punta sale por el otro extremo en el mismo intervalo de tiempo.

Decir esto es lo mismo que decir: en todo el trayecto de la manguera no se crea ni se destruye agua. Todo lo que entra, sale (por supuesto, la manguera no debe estar pinchada). A esta cuestión tan sencilla se la llama principio o ecuación de continuidad y no es nada más ni nada menos que la forma que adopta el principio de conservación de la materia en el barrio de los fluidos.

Si llamamos Q₁ al caudal en un extremo y Q₂ al caudal en el otro podemos resumir todo lo dicho escribiendo:

Q₁ = Q₂

Si combinamos esta obviedad -fundamental- con la relación velocidad-área que te expliqué recién, nos queda:

A₁ . v₁ = A₂ . v₂

Y esta expresión tiene sorpresa: por un lado, nos dice que en todas las partes de la manguera el líquido se va a mover a la misma velocidad... mientras no cambie la sección de la manguera (que es lo más común en las que venden en la ferretería). Pero, por otro lado, también nos dice que en todo conducto de sección variable.

Fuentes:

https://es.wikipedia.org/wiki/Principio_de_Bernoulli

https://www.monografias.com/trabajos104/mecanica-fluidos-propiedades-y-definiciones/mecanica-fluidos-propiedades-y-definiciones.shtml

https://es.wikipedia.org/wiki/Caudal_(fluido)

https://ricuti.com.ar/no_me_salen/hidrodinamica/FT_caudal.html