El diámetro hidráulico , D H , es un término comúnmente utilizado cuando se maneja el flujo en tubos y canales no circulares. Usando este término, se pueden calcular muchas cosas de la misma manera que para un tubo redondo. Cuando la sección transversal es uniforme a lo largo de la longitud del tubo o del canal, se define como [1] [2]
dónde
- A es el área de la sección transversal del flujo,
- P es el perímetro mojado de la sección transversal.
De manera más intuitiva, el diámetro hidráulico puede entenderse en función del radio hidráulico R H , que se define como el área de la sección transversal del canal dividida por el perímetro mojado. Aquí, el perímetro mojado incluye todas las superficies sobre las que actúa el esfuerzo cortante del fluido. [3]
Tenga en cuenta que para el caso de una tubería circular,
La necesidad del diámetro hidráulico surge debido al uso de una sola dimensión en el caso de una cantidad adimensional como el número de Reynolds , que prefieren una sola variable para el análisis de flujo en lugar del conjunto de variables que se enumeran en la tabla. La fórmula de Manning contiene una cantidad llamada radio hidráulico . A pesar de lo que pueda sugerir el nombre, el diámetro hidráulico no es el doble del radio hidráulico, sino cuatro veces mayor.
El diámetro hidráulico se utiliza principalmente para cálculos que involucran flujo turbulento . Se pueden observar flujos secundarios en conductos no circulares como resultado del esfuerzo cortante turbulento en el flujo turbulento. El diámetro hidráulico también se utiliza en el cálculo de la transferencia de calor en problemas de flujo interno.
Canales de sección transversal no uniformes y no circulares
En el caso más general, los canales con un área de sección transversal no circular no uniforme, como la válvula Tesla , el diámetro hidráulico se define como: [4]
dónde
- V es el volumen total mojado del canal,
- S es la superficie total mojada.
Esta definición se reduce a para canales uniformes de sección transversal no circular, y para tubos circulares.
Lista de diámetros hidráulicos
Geometría | Diámetro hidráulico | Comentario |
---|---|---|
Tubo circular | Para un tubo circular, el diámetro hidráulico es simplemente el diámetro del tubo. | |
Anillo | ||
Conducto cuadrado | aquí a representa la longitud de un lado, no el área de la sección transversal | |
Conducto rectangular (completamente lleno). El conducto está cerrado de modo que el perímetro mojado consta de los 4 lados del conducto. | Para el caso límite de un conducto muy ancho, es decir, una ranura de ancho b , donde b ≫ a , entonces D H = 2 a . | |
Canal de agua o conducto rectangular parcialmente lleno. Abierto desde la parte superior por definición de modo que el perímetro mojado consta de los 3 lados del conducto (2 en el lateral y la base). | Para el caso límite de un conducto muy ancho, es decir, una ranura de ancho b , donde b ≫ a , y a es la profundidad del agua, entonces D H = 4 a . |
Para un conducto o tubería completamente lleno cuya sección transversal es un polígono regular , el diámetro hidráulico es equivalente al diámetrode un círculo inscrito dentro del perímetro mojado . Esto se puede ver de la siguiente manera:polígono regular de lados es una unión de triángulos, cada uno de altura y base . Cada uno de estos triángulos contribuye al área total y al perímetro total, dando
para el diámetro hidráulico.
Referencias
- ^ Kudela, Henryk (mayo de 2017). "Flujo viscoso en tubería" (PDF) . pag. 3.
- ^ "Diámetro hidráulico para conductos no circulares" (PDF) . Mayo de 2017. p. 2.
- ^ Frank M. White. Mecánica de fluidos . Séptima Ed.
- ^ Nguyen, Quynh M .; Huang, decano; Dean, Evan; Romanelli, Genievieve; Meyer, Charlotte; Ristroph, Leif (octubre de 2020). "Diodo fluídico de Tesla y la analogía electrónico-hidráulica". Revista estadounidense de física . 89 : 393. arXiv : 2103.14813 . doi : 10.1119 / 10.0003395 .