Caudal másico

Tasa de flujo másico

Centro de Investigación Glenn

Un gráfico que muestra el flujo a través de una tobera con la ecuación de caudal másico para flujos subsónicos.

La conservación de la masa es un concepto fundamental de la física. Dentro de un dominio de problemas, la cantidad de masa permanece constante -la masa no se crea ni se destruye. La masa de cualquier objeto es simplemente el volumen que ocupa el objeto multiplicado por la densidad del objeto.Para un fluido (un líquido o un gas) la densidad, el volumen y la forma del objeto pueden cambiar dentro del dominio con el tiempo. Y la masa puede moverse a través del dominio. En la figura, mostramos un flujo de gas a través de un tubo estrecho. No hay acumulación ni destrucción de masa a través del tubo; sale la misma cantidad de masa que entra en el tubo. En cualquier plano perpendicular a la línea central del tubo, pasa la misma cantidad de masa. La cantidad de masa que atraviesa un planeta se denomina flujo de masa. La conservación de la masa (continuidad) nos dice que el flujo de masa a través de un tubo es constante. Podemos determinar el valor del caudal de masa a partir de las condiciones de flujo.

Si el fluido pasa inicialmente a través de un área A con una velocidad V, podemos definir un volumen de masa que será barrido en una cierta cantidad de tiempoet. El volumen v es:

v = A * V * t

Una comprobación de unidades da área x longitud/tiempo x tiempo = área x longitud = volumen. La masa m contenida en este volumen es simplemente la densidad r por el volumen.

m = r * A * V * t

Para determinar el caudal másico mdot, dividimos la masa por el tiempo. La definición resultante de caudal másico se muestra en la diapositiva en rojo.

Mdot = r * A * V

¿Cómo utilizan los ingenieros este conocimiento del caudal másico? A partir de la Segunda Ley del Movimiento de Newton, las fuerzas aerodinámicas en un avión (sustentación y resistencia) están directamente relacionadas con el cambio de momento de un gas con el tiempo. El momento se define como la masa por la velocidad, por lo que es de esperar que las fuerzas aerodinámicas dependan de la tasa de flujo de masa que pasa por un objeto. El empuje producido por un sistema de propulsión también depende del cambio de momento de un gas de trabajo. El empuje depende directamente de la tasa de flujo de masa a través del sistema de propulsión. Para un flujo en un tubo, la tasa de flujo de masa es una constante. Para un flujo de densidad constante, si determinamos (o fijamos) la velocidad en una zona conocida, la ecuación nos indica el valor de la velocidad para cualquier otra zona. Si deseamos una determinada velocidad, sabremos el área que tenemos que proporcionar para conseguirla. Esta información se utiliza en el diseño de túneles de viento.

Considerando la ecuación del caudal másico, parecería que para un área determinada, podríamos hacer el caudal másico tan grande como quisiéramos fijando la velocidad muy alta. Sin embargo, en los fluidos reales, los efectos de la compresibilidad limitan la velocidad a la que se puede forzar un flujo a través de un área determinada. Si hay una ligera constricción en el tubo, como se muestra en los gráficos de la boquilla, el número de Mach del flujo a través de la constricción no puede ser mayor que uno. Esto se denomina comúnmente estrangulamiento del flujo y los detalles de la física se dan en una página que considera los caudales de masa compresible.

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