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Qué es el arrastre – Resistencia al aire y a los fluidos – Definición

Qué es el arrastre: resistencia al aire y a los fluidos. En dinámica de fluidos y aerodinámica, el arrastre es una fuerza que actúa opuesta al movimiento relativo de cualquier objeto en movimiento. Ingenieria termal

Qué es la resistencia en física: resistencia al aire y a los fluidos

En dinámica de fluidos , el arrastre es una fuerza que actúa opuesta al movimiento relativo de cualquier objeto en movimiento. La fuerza que ejerce un fluido que fluye sobre un cuerpo en la dirección del flujo. A diferencia de otras fuerzas resistivas, como la fricción en seco, que son casi independientes de la velocidad, las fuerzas de arrastre dependen de la velocidad. La fuerza de arrastre es proporcional a la velocidad para un flujo laminar y la velocidad al cuadrado para un flujo turbulento. El arrastre generalmente es causado por dos fenómenos:

  • Arrastre: fricción de la piel y arrastre de forma
    Fuente: wikipedia.org Licencia: CC BY-SA 3.0

    Fricción De La Piel . En general, cuando un fluido fluye a través de una superficie estacionaria , por ejemplo, la placa plana, la cama de un río, o la pared de un tubo, el fluido de tocar la superficie se lleva a descansar por la tensión de cizallamiento a la pared. La región en la que el flujo se ajusta desde la velocidad cero en la pared hasta un máximo en la corriente principal del flujo se denomina capa límite . Por lo tanto, un fluido en movimiento ejerce fuerzas de corte tangenciales en la superficie debido a la condición antideslizante causada por los efectos viscosos. Este tipo de fuerza de arrastre depende especialmente de la geometría, la rugosidad de la superficie sólida y del tipo de flujo de fluido.

  • Arrastrar formulario . El arrastre de forma conocido también como arrastre de presión surge debido a la forma y el tamaño del objeto. Este tipo de fuerza de arrastre es una consecuencia interesante del efecto de Bernoulli . Según el principio de Bernoulli, el aire en movimiento más rápido ejerce menos presión. Esto hace que pueda haber una diferencia de presión entre las superficies del objeto. El tamaño general y la forma del cuerpo son los factores más importantes en el arrastre de forma . En general, los cuerpos con una sección transversal geométrica presentada más grande tendrán una resistencia mayor que los cuerpos más delgados.

Ambas fuerzas, en general, tienen componentes en la dirección del flujo y, por lo tanto, la fuerza de arrastre resultante se debe a los efectos combinados de la presión y las fuerzas de fricción de la piel en la dirección del flujo.

Cuando los coeficientes de fricción y arrastre de presión están disponibles, el coeficiente de arrastre total se determina simplemente agregándolos:

fricción de la piel - arrastre de forma - coeficientes

Con números bajos de Reynolds , la mayor parte del arrastre se debe al arrastre por fricción . Este es especialmente el caso de cuerpos altamente aerodinámicos, como los perfiles aerodinámicos. Por otro lado, con un alto número de Reynolds , la caída de presión es significativa, lo que aumenta la resistencia de forma.

Los componentes de la presión y las fuerzas de fricción de la piel en la dirección normal de flujo tienden a mover el cuerpo en esa dirección, y su suma se llama elevación .

En aeronáutica, el elevador es una fuerza de acción ascendente en un ala o superficie aerodinámica. El principio de Bernoulli requiere que el perfil aerodinámico tenga una forma asimétrica .

Skin Friction – Friction Drag

Como fue escrito, cuando un fluido fluye a través de una superficie estacionaria , por ejemplo, la placa plana, la cama de un río, o en la pared de un tubo, el tacto de fluido de la superficie se lleva a descansar por la tensión de cizallamiento a la pared. La región en la que el flujo se ajusta desde la velocidad cero en la pared hasta un máximo en la corriente principal del flujo se denomina capa límite . Por lo tanto, un fluido en movimiento ejerce fuerzas de corte tangenciales en la superficie debido a la condición antideslizante causada por los efectos viscosos. Este tipo de fuerza de arrastre depende especialmente de la geometría, la rugosidad de la superficie sólida (solo en flujo turbulento ) y del tipo de flujo de fluido . losLa fricción es proporcional al área de superficie. Por lo tanto, los cuerpos con un área de superficie más grande experimentarán un arrastre de fricción mayor. Es por eso que los aviones comerciales reducen su superficie total para ahorrar combustible. El arrastre de fricción es una función importante de la viscosidad, y un fluido “idealizado” con viscosidad cero produciría un arrastre de fricción cero, ya que el esfuerzo cortante de la pared sería cero.

La fricción de la piel es causada por un arrastre viscoso en la capa límite alrededor del objeto. Las características básicas de todas las capas límite laminares y turbulentas se muestran en el flujo de revelado sobre una placa plana. Las etapas de la formación de la capa límite se muestran en la siguiente figura:

Capa límite en placa plana

Capas límite pueden ser laminar o turbulento en función del valor de la número de Reynolds .

Para los números de Reynolds más bajos , la capa límite es laminar y la velocidad de la corriente cambia uniformemente a medida que uno se aleja de la pared, como se muestra en el lado izquierdo de la figura. A medida que aumenta el número de Reynolds (con x) el flujo se vuelve inestable y, finalmente, para los números de Reynolds más altos, la capa límite es turbulenta y la velocidad de la corriente se caracteriza por flujos de remolino inestables (que cambian con el tiempo) dentro de la capa límite.

La transición de la capa límite laminar a turbulenta ocurre cuando el número de Reynolds en x excede Re x ~ 500,000 . La transición puede ocurrir antes, pero depende especialmente de la rugosidad de la superficie . La capa límite turbulenta se espesa más rápidamente que la capa límite laminar como resultado del aumento de la tensión de corte en la superficie del cuerpo.

Hay dos formas de disminuir el arrastre por fricción :

  • el primero es dar forma al cuerpo móvil para que sea posible el flujo laminar
  • El segundo método es aumentar la longitud y disminuir la sección transversal del objeto en movimiento tanto como sea posible.

El coeficiente de fricción de la piel , D, fricción , se define por

fricción de la piel - ecuación - coeficiente de arrastre

Cabe señalar que el coeficiente de fricción de la piel es igual al factor de fricción de Fanning . El factor de fricción de Fanning, llamado así por John Thomas Fanning, es un número adimensional, que es un cuarto del factor de fricción de Darcy . Como se puede ver, existe una conexión entre las fuerzas de fricción de la piel y las pérdidas de carga por fricción .

Ver también: factor de fricción Darcy

Para el flujo laminar en una tubería, el factor de fricción de Fanning (coeficiente de fricción de la piel) es una consecuencia de la ley de Poiseuille que se da mediante las siguientes ecuaciones:

coeficiente de arrastre - flujo laminar

En flujos turbulentos , sin embargo, las cosas son más difíciles, como el factor de fricción depende en gran medida de la rugosidad de la tubería . El factor de fricción para el flujo de fluido se puede determinar utilizando un gráfico Moody . Por ejemplo:

coeficiente de arrastre - flujo turbulento

El componente de fricción de la fuerza de arrastre viene dado por:

fuerza de arrastre - fricción de la piel

Arrastre de formularios – Arrastre de presión

arrastre de forma - arrastre de presiónEl arrastre de forma conocido también como arrastre de presión surge debido a la forma y el tamaño del objeto. El arrastre de presión es proporcional a la diferencia entre las presiones que actúan en la parte frontal y posterior del cuerpo sumergido, y el área frontal. Este tipo de fuerza de arrastre también es una consecuencia interesante del efecto de Bernoulli . Según el principio de Bernoulli, el aire en movimiento más rápido ejerce menos presión . Esto hace que pueda haber una diferencia de presión entre las superficies del objeto. El tamaño general y la forma del cuerpo son los factores más importantes en el arrastre de forma. En general, los cuerpos con una sección transversal geométrica presentada más grande tendrán una resistencia mayor que los cuerpos más delgados.

Como se puede ver en la figura, la fuerza de arrastre surge de la diferencia entre las presiones que actúan en la parte delantera y trasera del cuerpo sumergido. Para esta fuerza se puede calcular (para este caso) simplemente usando la definición de presión como:

arrastre de forma - fuerza de arrastre

Dado que la pérdida de carga es aproximadamente proporcional al cuadrado del caudal en la mayoría de los flujos de ingeniería, el coeficiente de arrastre total se puede determinar simplemente agregando los coeficientes de fricción y arrastre de presión:

fricción de la piel - arrastre de forma - coeficientes

Fuerza de arrastre – Ecuación de arrastre

La fuerza de arrastre, D , depende de la densidad del fluido, la velocidad aguas arriba y el tamaño, la forma y la orientación del cuerpo, entre otras cosas. Una forma de expresar esto es mediante la ecuación de arrastre . La ecuación de arrastre es una fórmula utilizada para calcular la fuerza de arrastre experimentada por un objeto debido al movimiento a través de un fluido.

fuerza de arrastre - ecuación de arrastre - fórmula

El área de referencia, A, se define como el área de la proyección ortográfica del objeto en un plano perpendicular a la dirección del movimiento. Para los objetos huecos, el área de referencia puede ser significativamente mayor que el área de la sección transversal, pero para los objetos no huecos, es exactamente lo mismo que un área de la sección transversal.

Coeficiente de arrastre – Características de arrastre

Como se escribió, las características de arrastre de un cuerpo están representadas por el coeficiente de arrastre adimensional , C D , definido como:

coeficiente de arrastre - características

El área de referencia, A, se define como el área de la proyección ortográfica del objeto en un plano perpendicular a la dirección del movimiento. Para los objetos huecos, el área de referencia puede ser significativamente mayor que el área de la sección transversal, pero para los objetos no huecos, es exactamente lo mismo que un área de la sección transversal. Como se puede ver, el coeficiente de arrastre es principalmente una función de la forma del cuerpo y tiene en cuenta tanto la fricción de la piel como el arrastre de forma. También puede depender del número de Reynolds y la rugosidad de la superficie.

Cuando los coeficientes de fricción y arrastre de presión están disponibles, el coeficiente de arrastre total se determina simplemente agregándolos:

fricción de la piel - arrastre de forma - coeficientes

Con números bajos de Reynolds, la mayor parte del arrastre se debe al arrastre por fricción . Este es especialmente el caso de cuerpos altamente aerodinámicos, como los perfiles aerodinámicos. Por otro lado, con un alto número de Reynolds, la caída de presión es significativa, lo que aumenta la resistencia de forma .

Fuerza de arrastre en ingeniería nuclear

El análisis de la fuerza de elevación hidráulica es uno de los análisis más importantes para diseñar un conjunto de combustible y analizar la compatibilidad hidráulica de núcleos mixtos. Las fuerzas verticales son inducidas por el flujo ascendente de alta velocidad a través del núcleo del reactor . La ruta de flujo para el refrigerante del reactor a través del recipiente del reactor sería:

  • Ecuación de continuidad: tasas de flujo a través del reactor
    Ejemplo de caudales en un reactor. Es un ejemplo ilustrativo, los datos no representan ningún diseño de reactor.

    El refrigerante ingresa al recipiente del reactor en la boquilla de entrada y golpea contra el cilindro central .

  • El barril central obliga al agua a fluir hacia abajo en el espacio entre la pared del recipiente del reactor y el barril central , este espacio generalmente se conoce como el tubo descendente .
  • Desde el fondo del recipiente a presión, el flujo se invierte a través del núcleo para pasar a través de los conjuntos de combustible , donde la temperatura del refrigerante aumenta a medida que pasa a través de las barras de combustible.
  • Finalmente, el refrigerante del reactor más caliente ingresa a la región interna superior, donde se dirige la boquilla de salida a las patas calientes del circuito primario y pasa a los generadores de vapor .

Los conjuntos de combustible están sujetos por el conjunto de estructura de guía superior , que define la parte superior del núcleo. Este conjunto está hecho de acero inoxidable y tiene muchos propósitos. El conjunto de estructura de guía superior ejerce una fuerza axial sobre los conjuntos de combustible (a través de resortes en la boquilla superior), por lo tanto define la posición exacta del conjunto de combustible en el núcleo. La brida del ensamblaje de la estructura de la guía superior se mantiene en su lugar y se precarga mediante la brida del cabezal de cierre RPV. El conjunto de la estructura de la guía superior también guía y protege los conjuntos de la barra de control y la instrumentación en el núcleo.

La carga aerodinámica requerida del conjunto de estructura de guía superior en los conjuntos de combustible debe calcularse con mucho cuidado. Una carga aerodinámica insuficiente puede provocar el levantamiento del conjunto de combustible , por otro lado, una carga aerodinámica excesiva puede provocar la inclinación del conjunto de combustible , lo que también es inaceptable.

Ejemplo: Fuerza de arrastre – Coeficiente de arrastre – Paquete de combustible

Diámetro hidráulico - Canal de combustibleCalcule el arrastre de fricción de una sola barra de combustible  dentro del núcleo del reactor en funcionamiento normal (caudal de diseño). Suponga que esta barra de combustible es parte de un paquete de combustible con la red rectangular de combustible y que este paquete de combustible no contiene rejillas de separación. Su altura es h = 4 my la velocidad de flujo del núcleo es constante e igual a núcleo = 5 m / s.

Asumir que:

  • El diámetro exterior del revestimiento es: d = 2 xr Zr, 1 = 9,3 mm
  • El paso de los pasadores de combustible es: p = 13 mm
  • la rugosidad relativa es ε / D = 5 × 10 -4
  • la densidad del fluido es: ρ = 714 kg / m 3
  • la velocidad del flujo central es constante e igual a core = 5 m / s
  • la temperatura promedio del refrigerante del reactor es: T a granel = 296 ° C

Cálculo del número de Reynolds.

Para calcular el número de Reynolds , tenemos que saber:

  • El diámetro exterior del revestimiento es: d = 2 xr Zr, 1 = 9,3 mm (para calcular el diámetro hidráulico)
  • El paso de los pasadores de combustible es: p = 13 mm  (para calcular el diámetro hidráulico)
  • La viscosidad dinámica del agua saturada a 300 ° C es: μ = 0.0000859 Ns / m 2
  • la densidad del fluido es: ρ = 714 kg / m 3

El diámetro hidráulico, D h , es un término comúnmente utilizado cuando se maneja el flujo en tubos y canales no circulares . El diámetro hidráulico del canal de combustible , h , es igual a 13,85 mm .

Ver también: diámetro hidráulico

El número de Reynolds dentro del canal de combustible es igual a:

número de reynolds - ejemplo

Esto satisface completamente las condiciones turbulentas .

Cálculo del coeficiente de fricción de la piel

El factor de fricción para el flujo turbulento depende en gran medida de la rugosidad relativa. Está determinado por la ecuación de Colebrook o puede determinarse usando la tabla Moody . La tabla Moody para Re = 575 600 y ε / D = 5 x 10 -4 devuelve los siguientes valores:

Por lo tanto, el coeficiente de fricción de la piel es igual a:

coeficiente de fricción de la piel - ejemplo

Cálculo de la fuerza de arrastre

Para calcular la fuerza de arrastre , tenemos que saber:

  • el coeficiente de fricción de la piel, que es: D, fricción = 0.00425
  • El área de la superficie del pasador, que es: A = π.dh = 0.1169 m 2
  • la densidad del fluido , que es: ρ = 714 kg / m 3
  • la velocidad del flujo central, que es constante e igual a core = 5 m / s

A partir del coeficiente de fricción de la piel, que es igual al factor de fricción de Fanning , podemos calcular el componente de fricción de la fuerza de arrastre. La fuerza de arrastre viene dada por:

fuerza de arrastre - ejemplo

Suponiendo que un conjunto de combustible puede tener, por ejemplo, 289 pasadores de combustible (conjunto de combustible 17 × 17), el componente de fricción de la fuerza de arrastre es del orden de kilonewtons . Además, esta fuerza de arrastre se origina puramente de la fricción de la piel en el haz de combustible. Pero el conjunto de combustible PWR típico contiene otros componentes, que influyen en el sistema hidráulico del conjunto de combustible:

  • Barras de combustible . Las barras de combustible contienen el combustible y los venenos quemables.
  • Boquilla superior . Proporciona el soporte mecánico para la estructura del conjunto de combustible.
  • Boquilla inferior . Proporciona el soporte mecánico para la estructura del conjunto de combustible.
  • Cuadrícula de espaciado . Asegura una guía exacta de las barras de combustible.
  • Tubo guía dedal . Tubo vacante para barras de control o instrumentación en el núcleo.

Como se escribió, el segundo componente de la fuerza de arrastre es la forma de arrastre. El arrastre de forma conocido también como arrastre de presión surge debido a la forma y el tamaño del objeto. El arrastre de presión es proporcional a la diferencia entre las presiones que actúan en la parte frontal y posterior del cuerpo sumergido, y el área frontal.

Caída de presión – Conjunto de combustible

En general, la caída de presión total del conjunto de combustible está formada por la caída por fricción del haz de combustible (dependiendo de la rugosidad relativa de las barras de combustible, el número de Reynolds , el diámetro hidráulico , etc.) y otras caídas de presión de los elementos estructurales (boquilla superior e inferior, rejillas de separación o rejillas de mezcla )

En general, no es tan simple calcular las caídas de presión en los conjuntos de combustible (especialmente las rejillas de separación) y pertenece a los conocimientos clave de ciertos fabricantes de combustible. Principalmente, las caídas de presión se miden en bucles hidráulicos experimentales , en lugar de calcularse.

Los ingenieros usan el coeficiente de pérdida de presión , PLC . Se observa K o ξ  (pronunciado “xi”). Este coeficiente caracteriza la pérdida de presión de un determinado sistema hidráulico o de una parte de un sistema hidráulico. Se puede medir fácilmente en bucles hidráulicos. El coeficiente de pérdida de presión se puede definir o medir para tuberías rectas y especialmente para pérdidas locales (menores) .

PLC - Coeficiente de pérdida de presión - ecuaciones

Usando los datos del ejemplo mencionado anteriormente, el coeficiente de pérdida de presión (solo friccional de la tubería recta) es igual a ξ = f D L / D H = 4.9 . Pero el coeficiente global de pérdida de presión (incluidas las rejillas de separación, las boquillas superior e inferior, etc.) suele ser aproximadamente tres veces mayor. Este PLC ( ξ = 4.9 ) hace que la caída de presión es del orden de (utilizando las entradas anteriores) Ap fricción = 4,9 x 714 x 5 2 /2 = 43,7 kPa (sin rejillas Espaciado, toberas superior e inferior). Un PLC real aproximadamente tres veces mayor significa que el combustible  Δp será aproximadamente tres veces mayor .

La pérdida de presión global del reactor, el reactor Δp , debe incluir:

  • bajante y fondo del reactor
  • placa de soporte inferior
  • conjunto de combustible que incluye rejillas de separación, boquillas superior e inferior y otros componentes estructurales –  combustible Δp
  • conjunto de estructura de guía superior

Como resultado, la pérdida de presión general del reactor – el  reactor Δp es generalmente del orden de cientos de kPa (digamos 300-400 kPa) para los parámetros de diseño.

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.com o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.