21-2 Examen Final MEC FLUIDOS Solucionario 22 Dic 21

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
FACULTAD DE INGENIERIA GEOLOGICA, MINERIA Y METALURGICA

Curso : Mecánica de Fluidos
SOLUCIONARIO EXAMEN FINAL MECANICA FLUIDOS
Nombre:
Inicio : 10 a.m.
Termino: 12 a.m.
Control del examen: Conectarse al sistema virtual desde su inicio hasta el final.
Control de asistencia: Al inicio del examen
Fecha : Lima, 22 de Diciembre del 2021
1.-Hacer el esquema de un canal de Parshall, indicando sus partes y su

importancia.
Es un dispositivo de medición basado en el efecto Venturi, permite medir caudales en una parte
lateral de un canal. Usado para medir el flujo de ríos, canales de irrigación y/o desagüe, etc.
Se instala en canales abiertos, dejando libre la entrada como la salida, presenta la siguiente
forma.
Se instala en canales abiertos, dejando libre tanto la entrada como la salida para que no haya
ningún tipo de problema
Presenta una forma abierta compuesta por una sección convergente, una garganta y una sección
divergente y va anclada a con tirafondos o bien embebido en obra.
Se basa en la asunción que el flujo crítico produce estrechando la anchura de la garganta de la

canaleta, levantando la base, esto hace que el agua se levante. Es un proceso que debido a la
aceleración del flujo permite establecer una relación matemática entre la elevación del agua y el
gasto.
MEDICIÓN DEL CAUDAL:
Donde:
Ha: profundidad del agua en una posición dada.

C y n: constantes que dependen de las dimensiones del canal.
2.-Indicar la condición necesaria para que un avión ascienda en el aire por

la fuerza de sustentación, y hacer un diagrama de fuerzas que incluya a la
fuerza de arrastre.
Cuando un fluido se mueve sobre un cuerpo sólido, ejerce fuerzas de presión normales a
la superficie y fuerzas cortantes paralelas a la superficie del cuerpo.
La componente resultante de la presión y las fuerzas cortantes que actúa en la dirección

del flujo se llama FUERZA DE ARRASTRE (o arrastre), la componente que actúa en
dirección normal a la del flujo se llama
Estas fuerzas dependen de la densidad del fluido, la velocidad de corriente arriba V y

el tamaño, forma y orientación del cuerpo, entre otros.
2
Por ello se trabajara con parámetros adimensionales que representan las características
de arrastre y sustentación como lo son los COEFICIENTES DE ARRASTRE y
SUSTENTACION .
3.-Una placa plana de 1.2 m por 1.2 m se mueve a una velocidad de 6.5
m/seg en dirección normal a su plano. Determinar la resistencia que se
opone al movimiento (a) cuando se mueve a través del aire a 20°C y
presión atmosférica normal y (b) cuando lo hace a hace a través del agua a
15°C. Si waire = 1.200 Kg/m3 y CD = 1.16
4.-Indicar la función de una bomba y de una turbina frente a un fluido; y

sus aplicaciones.
CARACTERISTICAS Y FUNCIONES DE BOMBAS
Adiciona energía al fluido. Existen distintos tipos de bombas: De engranaje, de lóbulo, de

husillo, peristáltica, de paletas, de pistones, de diafragma.
ESQUEMATIZACIÓN:
Su funcionamiento es muy sencillo, el agua es aspirada por el tubo de entrada de la Bomba de

Agua para luego ser impulsada por un motor que utiliza como cualquier motor, bobinas e
3
imanes para crear un campo magnético y así lograr que el impulsor gire de una manera
continua.
APORTES:
Usos o aplicaciones más frecuentemente encontradas en el mercado para las Bombas
Hidráulicas:
 Centrifugas: recirculación de agua, rebombeo, procesos en los que se necesita presión y

abastecimiento de agua, entre otros.
 Sumergibles: Extracción de agua, rebombeo de lodo.
 Verticales tipo Turbina: Extracción de agua de pozos profundos, rebombeo de agua para
abastecimiento.
CARACTERISTICAS Y FUNCIONES DE TURBINAS
Transforman la energía mecánica del fluido en energía de rotación para generar electricidad.
Tipos:
 Turbina de Pelton: se utiliza en grandes alturas y pequeños caudales.

 Turbina de Michell – Banki
 Turbina de Francis
 Turbina de Kaplan
 Turbina de bulbo
 Turbina eólica
4
La función de las turbinas hidráulicas es transformar aquella energía potencial y cinética del
agua en energía mecánica de rotación, de este modo, con la aplicación de un generador, se
consigue transformar la energía mecánica producida por la turbina, en energía eléctrica.
UTILIDADES:
 Genera energía en centrales hidroeléctricas

 Convierte la energía mecánica libre disponible de los ríos y viento en trabajo mecánico útil.
 Las turbinas Pelton aprovechan las caídas de agua y usan petróleo. Generan electricidad.
 Las turbinas eólicas generan energía eólica, transforma energía del fluido a energía cinética.
5.-Hacer el esquema de una labor subterránea e indicar los equipos a

utilizar para una ventilación eficiente.
Las necesidades de aire al interior de la mina, deben ser determinadas en base al

personal y el número de equipos que trabajan al interior de las labores en los niveles que
componen la mina, además de conocer el método de explotación.
El cálculo de las necesidades, permitirá ventilar las labores mineras en forma eficiente,
mediante un control de flujos tanto de inyección de aire fresco, como de extracción de
aire viciado. Esto permite diluir y extraer el polvo en suspensión, gases producto de la
tronadura o de la combustión de los vehículos.
Para determinar el requerimiento de aire total se utilizan los siguientes parámetros

operacionales:
 Caudal requerido por el número de personas.

 Caudal requerido por temperatura.
 Caudal requerido por el polvo en suspensión
 Caudal requerido por la producción.
 Caudal requerido por consumo de explosivos
 Caudal requerido por equipo Diesel
5
Ventilación Auxiliar: Como ventilación auxiliar o secundaria, definimos aquellos
sistemas que, haciendo uso de ductos y ventiladores auxiliares, ventilan áreas
restringidas de las minas subterráneas, empleando para ello circuitos de alimentación de
aire fresco y de evacuación del aire viciado que les proporciona el sistema de
ventilación general. Por extensión, esta definición la aplicamos al laboreo de túneles
desde la superficie, aún cuando en estos casos no exista un sistema de ventilación
general. Los sistemas de ventilación auxiliar que pueden emplearse en el desarrollo de
galerías horizontales, utilizando ductos y ventiladores auxiliares son:
 Sistema impelente: El aire es impulsado dentro del ducto y sale por la galería en
desarrollo ya viciado. Para galerías horizontales de poca longitud y sección
(menores a 400 metros y de 3.0 x 3.0 metros de sección).
 Sistema aspirante: El aire fresco ingresa a la frente por la galería y el contaminado
es extraído por ductos. Para ventilar desarrollos de túneles desde la superficie, es el
sistema aspirante el preferido para su ventilación, aún cuando se requieren
elementos auxiliares para remover el aire de la zona muerta, comprendida entre la
frente y el extremo de los ductos de aspiración.
 Un tercer sistema es el combinado, aspirante-impelente, que emplea dos tendidos de
ductos, una para extraer aire y el segundo para impulsar aire limpio a la frente en
avance. Este sistema reúne las ventajas de los dos tipos básicos, en cuanto a
mantener la galería y la frente en desarrollo con una renovación constante de aire
limpio y en la velocidad de la extracción de los gases de disparos, con la desventaja
de su mayor costo de instalación y manutención.
6.-Una turbina desarrolla 144 CV girando a 100 rpm bajo una carga de 8.0
m ; ¿que potencia desarrollaría bajo una carga de 11.0 m ?
De donde
6
Entonces:
Para el mismo caudal (y rendimiento), bajo la carga de 11 m, obtenemos
7.-Explicar la diferencia entre agitación y mezcla, el equipo que se utiliza y

sus aplicaciones.
La agitación y mezclado son operaciones unitarias presente en la gran mayoría de los procesos.
Esta operación involucra sistemas de una sola fase o de varias fases líquidas, sólidas y gaseosas
y se puede realizar en mezcladores estáticos o en sistemas agitados.
Agitación: forzar fluido por medios mecánicos para que adquiera un movimiento circulatorio
Mezcla: distribución al azar de 2 fases inicialmente separadas, eso implica partir de 2 fases
individuales, tales como un fluido y un sólido pulverizado o dos fluidos
La importancia es para:
 Distribución uniforme de las materias domesticas sometidas a tratamiento o aumentar la

velocidad a que esto se produce.
 Distribución uniforme de calor
 Aumentar la superficie específica activa de las distintas fases que constituyen el
producto.
8.-Explicar el transporte en un fluido por advección y difusión molecular

de masa o calor.
ADVECCIÓN
Es el arrastre de la sustancia contaminante del agua, si solo existiera este proceso, el

contaminante viajaría a la misma velocidad que el agua y la extensión ocupada por el
contaminante seria contaste.
En medio poroso, el flujo de masa a través de una sección unidad perpendicular al flujo
es igual a:
(Flujo de masa por unidad de sección y por unidad de tiempo)
7
J: flujo de masa, por unidad de sección y por unidad de tiempo
me: porosidad eficaz
c: concentración
v: velocidad lineal media (=velocidad Darcy/ me) “Velocidad Darcy=K∙gradiente”
DIFUSIÓN MOLECULAR
La difusión molecular de calor y de masa ocurre cuando la velocidad es cerca a cero e

incluye los sólidos y el flujo de fluidos cerca de parte sólidas
9.-Indicar que proceso de transporte predomina a través de un medio

poroso y como se cuantifica.
El proceso de transporte que predomina es la advección, proceso por el cual los solutos
son transportados por el movimiento de la masa de agua:
Se cuantifica utilizando la Ley de Darcy y la porosidad eficaz
8
10.-Indicar el fundamento de la dinámica de fluidos computacional, su
importancia y aplicaciones.
DINÁMICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL (DFC, CFD por sus siglas en

inglés)
Definición: la mecánica de fluidos computacional es la ciencia encargada de hallar una

solución numérica de las ecuaciones que gobiernan el flujo del fluido en un dominio
espacial y temporal.
MECANICA: Estudio del movimiento y las fuerzas que lo originan

FLUIDOS: toda materia no sólida, esto es: líquidos y gases. Una característica es su
incapacidad de soportar esfuerzos cortantes.
COMPUTACIONAL: uso de ordenadores para resolver los problemas de la mecánica

de fluidos
SIMULACIÓN Y PREDICCIÓN DEL MOVIMIENTO DE UN FLUIDO
Matemáticamente, el movimiento de un fluido se describe mediante las llamadas

ecuaciones de Navier-Stokes. En el espíritu de la mecánica newtoniana, estas
ecuaciones deberían determinar el movimiento futuro del fluido a partir de su estado
inicial. Basadas en:
 La ecuación de la continuidad
 La 2da ley de Newton
 Conservación de la energía
Etapas del proceso de simulación:
 PREPROCESO: definir el problema, dominio, propiedades del fluido, condiciones,

parámetros numéricos
9
 RESOLUCION: generación de la solución al sistema de ecuaciones que gobiernan
el proceso
 POSTPROCESO: visualización y análisis de los resultados con objeto de validar el
comportamiento del flujo.
VENTAJAS (IMPORTANCIA):
 Menos costo económico que el análisis experimental

 Posibilidad de verificar resultados teóricos
 Información 3D del campo de velocidades, presiones y demás variables
APLICACIONES:
 Aerodinámica, flujos de aire en torno a edificios, aeronaves, vehículos terrestres,

etc
 Medio ambiente, dispersión atmosférica de contaminantes, etc
 Equipos generadores de potencia, motores de combustión interna,
turbomáquinas
 Instalaciones hidráulicas, flujos a través de bombas,, turbinas, difusores,
válvulas, etc
 Análisis térmicos, flujos en intercambiadores de calor, radiadores de vehículos
 Hidrodinámica
 Vulcanología
10

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SOLUCIONARIO EXAMEN FINAL MECANICA FLUIDOS

1.-Hacer el esquema de un canal de Parshall, indicando sus partes y su

Se basa en la asunción que el flujo crítico produce estrechando la anchura de la garganta de la

MEDICIÓN DEL CAUDAL:

Ha: profundidad del agua en una posición dada.

2.-Indicar la condición necesaria para que un avión ascienda en el aire por

La componente resultante de la presión y las fuerzas cortantes que actúa en la dirección

Estas fuerzas dependen de la densidad del fluido, la velocidad de corriente arriba V y

4.-Indicar la función de una bomba y de una turbina frente a un fluido; y

Adiciona energía al fluido. Existen distintos tipos de bombas: De engranaje, de lóbulo, de

Su funcionamiento es muy sencillo, el agua es aspirada por el tubo de entrada de la Bomba de

 Centrifugas: recirculación de agua, rebombeo, procesos en los que se necesita presión y

CARACTERISTICAS Y FUNCIONES DE TURBINAS

 Turbina de Pelton: se utiliza en grandes alturas y pequeños caudales.

 Genera energía en centrales hidroeléctricas

5.-Hacer el esquema de una labor subterránea e indicar los equipos a

Las necesidades de aire al interior de la mina, deben ser determinadas en base al

Para determinar el requerimiento de aire total se utilizan los siguientes parámetros

 Caudal requerido por el número de personas.

7.-Explicar la diferencia entre agitación y mezcla, el equipo que se utiliza y

 Distribución uniforme de las materias domesticas sometidas a tratamiento o aumentar la

8.-Explicar el transporte en un fluido por advección y difusión molecular

Es el arrastre de la sustancia contaminante del agua, si solo existiera este proceso, el

(Flujo de masa por unidad de sección y por unidad de tiempo)

La difusión molecular de calor y de masa ocurre cuando la velocidad es cerca a cero e

9.-Indicar que proceso de transporte predomina a través de un medio

Se cuantifica utilizando la Ley de Darcy y la porosidad eficaz

DINÁMICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL (DFC, CFD por sus siglas en

Definición: la mecánica de fluidos computacional es la ciencia encargada de hallar una

MECANICA: Estudio del movimiento y las fuerzas que lo originan

COMPUTACIONAL: uso de ordenadores para resolver los problemas de la mecánica

SIMULACIÓN Y PREDICCIÓN DEL MOVIMIENTO DE UN FLUIDO

Matemáticamente, el movimiento de un fluido se describe mediante las llamadas

 PREPROCESO: definir el problema, dominio, propiedades del fluido, condiciones,

 Menos costo económico que el análisis experimental

 Aerodinámica, flujos de aire en torno a edificios, aeronaves, vehículos terrestres,

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