J ..JJ-. --'MECANICADEFLUIDOSYMAQUINASHIDRAULICASSEGUNDAEDICIONUNIVERSIDADDELEONMECANICA DE FLUIDOSY MAQUINAS HIDRAULICASSEGUNDAEDICION(Alnpliada y puestaal da, revisada y redactadaen el SI)CLAUDIOMATAIXDoctor en Ciencias Fsicas, Ingeniero MasterProfesor de Mecnica de Fluidos y Turbomquinasen la Escuela Tcnica Superior de IngenierosIndustriales del I.C.A.I.~@EDICIONESDELCASTILLO, S. A.MadridMECANICADEFLUIDOS YMAQUINAS HIDRAULICAS.Segunda EdicinPrimeraimpresin: marzode 1982Segundaimpresin: abril de 1986No estpermitida la reproduccin total o parcialde estelibro, nisutratamientoinformtico, ni latransmisin deningunaformaopor cualquiermedio, ya sea electrnico,mecnico, por fotoco-pia, por registrouotromtodo, sinel permisoprevio y por escrito, de los titulares del copyrighl.Alos alumnos de las Escuelas Tcni(;as de Ingenierosdel I.C.A.I., que escucharon deviva vozestas lecciones.byClaudioMataixyPlanaEdicionesdel Castillo, S. A.ApartadodeCorreos, 9088. MadridISBN: 84-219-0175-3Depsitolegal: M. 34.041-1993ImpresoenMilofe, S. L.CIRoTormes, 12PoI. Ind. ElNogal. 28100Algete(Madrid)PrintedinSpainPresadela centralmareomotrizde la Rance: longitud800metros. Hayinstalados24grupos bulbosconunapotenciatotal de240MW. Instalacinnicaenel mundoenel momentoactual. Centra-les mareomotrices en el futurode 5.000 MW(golfode Mezenak) oinclusode 35.000 MW(golfode Penzhinok)?PrlogoLa primera edicin de esta obra, publicada en 1970yreimpresa repetidasveces enEspaayLatinoamrica, nacien mis clasesa los Ingenieros Supe-riores e Ingenieros Tcnicos del I.C.A.!, La segunda edicin, totalmente am-pliada, revisadaypuesta al da, se ha reelaborado tambinencontactovivoconmisalumnosdel LC.A.I. La obraes unaMecnicabsicadel fluidoincom-presible (1).La segunda edicin retiene la sucesin de los veintinueve captulos, docede los cuales estn consagrados alas mquinas hidrulicas y alas transmisionesy controleshidrulicosyneumticos: deah queel ttulocompletodelaobraMECANICADEFLUIDOSYMAQUINASHIDRAULICASsehayaman-tenido tambin.En nuestra obra se tratan los puntos siguientes: Anlisisdelaspropiedadesdel fluido, enparticulardelaPRESIONyVIS-COSIDAD(paradoja de D' Alembert, capa lmite ydesprendimiento de lacapa lmite). Deduccinmatemticade las ECUACIONESFUNDAMENTALES: ecua-cinde la hidrosttica, ecuaciones diferenciales de Euler, ecuacinde Ber-noulli, ecuacindelacantidaddemovimiento, ecuacinfundamental delasturbomquinas, etc. HIDROSTATICAysus problemas prcticos, a partir de la ecuacin fun-damental ensus mltiples formas. HIDRODINAMICAysus problemas prcticos, a partir de la ecuacindeBernoulli en sus mltiples formas..1'URBOMAQUINAS HIDRAULICAS y sus problemas prcticos de ins-talacin, funcionamiento ydiseo a partir de la ecuacin fundamental deEuler. MAQUINAS HIDRAULICAS ALTERNATIVAS y ROTOESTATICAS, TRANSMISIONESYCONTROLESHIDRAULICOSy NEUMATICOS,a partir del principiode Pascal.(1) Lacompresibilidaddel fluido slo se tieneencuentaenesta obraenel estudiodel golpedeariete. Laestticaydinmicadel fluidocompresiblesetrataenmi obra TermodinmicaTcnicay Mquinas Trmicas, Madrid, Ediciones Le.A.I., 1978, 734pgs.vii Resumen terico prctico de la TEORIADEMODELOS, con deduccinyaplicacin de los cinco parmetros adimensionales de semejanza. Deduccin de las LEYES DE SEMEJANZAde bombas, ventiladores yturbinas hidrulicas ydel nmero especfico de revoluciones yexperimen-tacinconmodelos de mquinas hidrulicas. Redes de tuberas, instrumentacin de medida, golpe de ariete, cavitacin,empujeascensional, regulacin de grupos hidroelctricos, etc.Laobraenestasegundaedicinse haampliado, puestoal da, revisadoyredactado de nuevo en el sistema internacional de unidades SI.Ampliacinenlos puntos siguientes: Instrumentacin de medida de presiones (Cap. 4). Instrumentacin de medida de velocidad y de caudal en flujo cerrado(Cap. 6). Instrumentacin de medida de caudal en flujo libre yde medida de nivel(Cap. 14). Catorceapndicesenlugardetres (sietenuevoscontablasdepropiedadesycuatro nuevos con tablas de conversinde unidades). Bibliografa de obras recientes en lenguas espaola, francesa e inglesa. Seleccindenormas DIN.etc, etc.Puestaal da en los puntos siguientes: Normas internacionales parala.. determinacinde la altura neta enlas tur-binas hidrulicas. Recomendaciones ISOparaequipohidrulicoyneumtico. Revisin de nomenclatura segn ltimas normas DINvigentes. Panoramaactual delas centrales hidroelctricas. Fuentesespeciales deenergahidrulica: energamareomotriz, energaeli-cayenergade las olas.etc., etc.Revisin en los puntos siguientes: Problemas (revisin total). Nueva redaccin del tema de la cavitacin. Sustitucinde laexpresininapropiadadealturamanomtricapor ladealtura til oefectiva. Correccionesymejoras mltiples enel texto.etc., etc.Redaccindel libro en el SI: La novedadmxima de la segunda edicines el abandonodel sistematc-nico STyla conversin de tablas yproblemas al sistema internacional deunidades SI.viii El SI eslegal enEspaapor leyde 1967ydecretocomplementariode 1974. El SI es legalmente obligatorio en los principales pases del rea mtrica:Alemanias Federal yDemocrtica, Francia, URSS, etc. El SI se adopta en todos los pases del rea anglosajona. EnUSA, por ejemplo, afines de 1978el grangiganteindustrial laGeneralMotors poseayael 7 0 ~ ~ de suproduccintcnicaenel SI; enmultituddeUniversidades se impartan todos los cursos de esttica, dinmica, mecni-ca de fluidos ytermodinmica exclusivamente en el SI; el ACI (AmericanConcrete Institute) se pona como meta el ao 1983 para el trnsitocom-pleto al SI, etc., etc.En el libro se ofrece una coleccin de ms de 300problemas corregidos,revisados yredactados en el SI, unos 75 de los cuales figuran en el texto re-sueltos. En el Apndice 13 figura adems la solucin a todos los problemasconnumeracinimpar.Enconclusin, enestasegundaedicinnohemosahorradoesfuerzoalgunoparapoder ofrecer a los alumnos de ingenierade hablahispana, as comoalos ingenierosquetrabajanenlasoficinas deproyectos e instalaciones hidruli-cas, un texto fundamental noavanzadode mecnica de fluidos incomprensi-blesparalaespecialidaddeconstruccindemquinas, riguroso, claroyprc-tico. El lector juzgarhastaqupuntoesteobjetivosehallevado alaprctica.Finalmente quieroexpresar mi agradecimientoa las empresas constructo-rasporel material suministrado, alosalumnosquehancolaboradosobretodoenlarevisindelosproblemasy aEdicionesdel Castillo, quehaacogidocongranentusiasmo las dos ediciones de esta obra.El AutorixTabla de materiasHIDROSTATICANOMENCLATURAEMPLEADA xx45454748495151515253555556575858616161627374757576898992626263636465656565666666697172HIDRODINAMICAECUACION FUNDAMENTAL DE LA HIDRODINAMICA O ECUA-CIONDEBERNOULLI5.1. Regmenes de corriente. Lnea, hilo ytubo de corriente5.2. Definicinde caudal4. HIDROSTATICA4.1. Ecuacin fundamental de la hidrosttica del fluido incompresible4.2. Grfico de presiones4.3. Instrumentacin de medida de presiones4.3.1. Tubos piezomtricos4.3.2. Manmetros de lquido4.3.2.1. Barmetrode cubeta4.3.2.2. Barmetroen U4.3.2.3. Manmetro enUde lquidopara presionesrelativas4.3.2.4. Vacumetro enUde lquidopara presiones absolutas4.3.2.5. Manmetro y vacumetro de cubeta4.3.2.6. Manmetro diferencial4.3.2.7. Piezmetrodiferencial4.3.2.8. Micromanmetrode tubo inclinado4.3.2.9. Multimanmetros4.3.2.10. Manmetrodiferencial trico4.3.3. Manmetros elsticos4.3.3.1. Manmetro de tubo de Bourdon para presiones abso-lutas4.3.3.2. ManmetrodetubodeBourdonparapresionesrelativas4.3.33. Manmetro de membrana4.3.3.4. Manmetro diferencial combinado de diafragma y re-sorte4.3.3.5 Manmetrode fuelle metlico4.3.4. Manmetro de mbolo4.3.4.1. Manmetro de mbolocomo tarador de manmetros43.4.2. Manmetro de mboloyresorte4.3.5. Transductores de presinelctricos4.3.5.1. Transductores de resistencia4.3.5.2. Transductores de capacidad4.35.3. Transductores de induccin4.3.5.4. Transductores piezoelctricos4.3.5.5. Transductores potenciomtricos4.3.5.6. Transductores de bandas extensomtricas4.4. Presin hidrosttica sobre una superficie plana sumergida4.5. Presin hidrosttica sobre una superficie curva cilndrica sumergida4.6. Principio de Arqumedes. Flotacin.4.6.1. Equilibriode los cuerpos totalmente sumergidos (submarino, di-rigible)4.6.2. Equilibrio de los cuerpos parcialmente sumergidos (barco)4.7. Equilibrio relativo de los lquidos4.7.1. Recipiente cpn aceleracin lineal constante4.7.2. Recipiente girando a ro = e11112222355710131314151619202020242A28303032325.3639393. PRESION3.1. Definicin y propiedades3.2. Unidades de presin3.3. Presin atmosfrica3.4. Presin absoluta y presinexcedente o relativaINTRODUCCION2. PROPIEDADESDELOS FLUIDOS2.1. Introduccin2.2. Densidadespecficaoabsoluta, peso pespecfico, densidad relativayvo-lumen especfico2.2.2. Peso especfico2.2.3. Densidad relativa2.2.4. Volumen especfico2.3. Compresibilidad2.4. Viscosidad2.4.1. Viscosidad dinmica2.4.2. Viscosidad cinemtica2.4.3. Unidades nocoherentes de la viscosidad2.5. Tensin superficial2.6. Tensin de vapor2.7. Fluido ideal1. INTRODUCCIONALAMECANICADEFLUIDOS1.1. Objetode la mecnica de fluidos1.2. Aplicaciones de la mecnica de fluidos1.2.1. Mquinas de fluido1.2.2. Redes de distribucin1.2.3. Regulacin de las mquinas1.2.4. Transmisiones ycontroles hidrulicos yneumticos1.2.5. i\coplamiento y cambio de marchas continuo1.3. Resumen histrico de la mecnica de fluidos1.4. Sistemas de unidades. Dimensiones1.5. El sistema internacional de unidades SI1.6. Ecuacin de dimensiones1.7. Cambiode unidadesxxi5.3. Ecuacinde continuidad 935.3.1. Ecuacin de continuidad para un hilo de corriente 935.3.2. Ecuacin de continuidad del fluido incompresible para un tubode corriente 955.4. Fuerzas que actan sobre un fluido 955.5. Ecuaciones diferenciales del movimiento de un fluido ideal, o ecuacio-nes diferenciales de Euler 965.5.1. Componentes de la aceleracinenun punto 965.5.2. Ecuaciones de Euler 985.6. Ecuacinde Bernoulli para el fluido ideal: primera deduccin por in-tegracinde las ecuaciones de Euler segn una lnea de corriente 1015.7. Clasificacinde las energas de un fluido incompresible 1025.7.1. Energa potencial geodsica 1045.7.2. Energa de presin 1045.7.3. Energa cintica 1065.8. EcuacindeBernoulli parael fluidoideal: segundadeduccin, energtica 1065.8.1. Deduccin energtica de la ecuacin de Bernoulli para un hilode corrienteen rgimen permanente 1065.8.2. LaecuacindeBernoulli generalizadaparauntubodecorriente 1075.9. La ecuacin de Bernoulli y el primer principio de la termodinmica 1095.10. LasenergasespecficasylaecuacindeBernoulli expresadasenalturasequivalentes 1105.11. Ecuaciones diferencialesdel movimientode unfluido real, oecuacionesdeNavier-Stokes III5.12. Ecuacinde Bernoulli para el fluido real 1125.13. Ecuacinde Bernoulli generalizada 1135.14. Grficode alturas rl45.15. Ecuacinde Bernoulli para ungas incompresible lIS6. ALGUNASAPLICACIONESDELAECUACIONDEBERNOULLI. INS-TRUMENTACION DE MEDIDA DE VELOCIDAD. INSTRUMENTA-CINDEMEDIDADECAUDALENFLUJOCERRADO 1256.1. Introduccin 1256.2. Salida por un orificio: Ecuacinde Torricelli 1256.3. Tubode Pitot 1266 4. Instrumentacinde medida de velocidades 1276.4.1. Teora del tubode Prandtl 1286.4.2. Tipos diversos de tubos de Prandtl 1306.4.3. Anemmetros 1326.4.3.1. Anemmetrode eje vertical 1336.4.3.2. l\.nemmetrode eje horizontal 1346.4.4. Molinete hidrulico 1346.4.5. Anemmetrode hilo caliente 1356.5. El sifn 1366.6. El eyector 1386.7. Instrumentacinde medicin de volmenes 1396.8. Instrumentacin de medicin de caudales 1416.8.1. Caudalmetros de flujo cerrado 1416.8.1.1. Caudalmetros de rea de pasoconstante 1426.8.1.1.1. Tubode Venturi 142Toberas 1456.8.1.1.3. Diafragmas 1466.8.1.1.4. Otros elementos deprimgenos 1486.8.1.1.5. Manmetros diferenciales de raz cuadrada 148xii6.8.1.2. Caudalmetros de reade pasovariable 1516.8.1.3. Caudalmetros electromagnticos 1536.8.1.4. Caudalmetros de ultrasonido 1547. LAEXPERIMENTACIONENDEFLUIDOS 1617.1. Introduccin 1617.2. Semejanza de modelos 1647.3. Teora de modelos 1687.4. Semejanza dinmica y gradiente depresiones: nmerodeEuler 1687.5. Semejanza dinmica con predominio dela gravedad: nmero deFroude 1727.6. Semejanza dinmica conpredominiode la viscosidad: nmero de Rey-nolds 1747.7. Semejanza dinmica conpredominio dela elasticidad:nmerodeMach 1767.8. Semejanzadinmicaconpredominiodelatensinsuperficial: nmerodeVVeber 1778. RESISTENCIADELOSFLUIDOSENGENERAL 1838.1. Introduccin 1838.2. Paradoja de d'Alembert 1848.3. Capa lmite: resistencia de superficie 1878.4. Rgimen laminar yturbulento 1908.5. Capa lmite laminar yturbulenta 1938.6. El nmero de Reynolds parmetroadimensional de resistencia 1948.7. Nmero crticode Reynolds 1948.8. Desprendimientode la capa lmite: resistencia de forma 1968.9. Resistencia de forma: contornos romos ycontornos bien fuselados 1988.1O. Laenergaperdidapor laresistenciasetransformaenenergatrmica 2019. RESISTENCIA DE SUPERFICIE: PERDIDAS PRIMARIAS EN CON-DUCTOSCERRADOSOTUBERIf\S 2039.1. Introduccin 2039.2. Prdidas primarias ysecundarias en las tuberas 2039.3. Ecuacin general de las prdidas primarias: ecuacin de Darcy-VVeisbach 2069.4. Clculodel coeficientede prdidas primarias A 2099.4.1. ClculodeAenrgimenlaminar(tuberaslisas y rugosas): frmu-la de Poiseuille 2099.4.2. Clculo de Aen rgimen turbulento y tuberas lisas: para2.000