Table Of ContentMECÁNICA DE FLUID O S
MECÁNICA DE FLUID O S
FUNDAMENTOS Y APLICACIONES
Segunda edición
YUNUS A. ÇENGEL
University of Nevada, Reno
JOHN M. CIMBALA
The Pennsylvania State University
Revisión técnica:
Sofía Faddeeva Sknarina Alberto Peña Bandrés
Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores Universidad del País Vasco, España
de Monterrey, Campus Estado de México
Antonio Rubén Benítez Gasca Alejandro Rivas Nieto
Instituto Tecnológico de Boca del Río Universidad de Navarra, España
César de Jesús Gutiérrez Pérez Reguera Armando Sansón Ortega
Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores
de Monterrey, Campus Querétaro de Monterrey, Campus Toluca
Guillermo Eduardo Mejía Hernández Francisco J. Solorio Ordaz
Instituto Tecnológico de Querétaro Universidad Nacional Autónoma de México
César Adolfo Ortega Vivas
Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores
de Monterrey, Campus Querétaro
MÉXICO • BOGOTÁ • BUENOS AIRES • CARACAS • GUATEMALA • MADRID
NUEVA YORK • SAN JUAN • SANTIAGO • SAO PAULO • AUCKLAND
LONDRES • MILÁN • MONTREAL • NUEVA DELHI • SAN FRANCISCO
SINGAPUR • SAN LUIS • SIDNEY • TORONTO
Director general: Miguel Ángel Toledo
Editor sponsor: Pablo E. Roig
Coordinadora editorial: Marcela I. Rocha
Editora de desarrollo: Ana Laura Delgado
Supervisor de producción: Zeferino García García
Traducción: Víctor Campos Olguín/Sergio Sarmiento Ortega/Francisco Sánchez Fragoso
MECÁNICA DE FLUIDOS. FUNDAMENTOS Y APLICACIONES
Segunda edición
Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra,
por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor.
DERECHOS RESERVADOS © 2012, respecto a la segunda edición en español por
McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V.
A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc.
Prolongación Paseo de la Reforma 1015, Torre A
Piso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe
Delegación Álvaro Obregón
C.P. 01376, México, D.F.
Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Núm. 736
ISBN 978-607-15-0779-2
ISBN (primera edición en español): 978-970-10-5612-4
Traducido de la segunda edición de: Fluid Mechanics. Fundamentals and Applications by Yunus A. Çengel and John
M. Cimbala. Copyright © 2010, by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved. ISBN 978-0-07-352926-4
1234567890 1345678902
Impreso en México Printed in Mexico
D e d i c a t o r i a
A todos los estudiantes: con la esperanza de
fomentar deseo y entusiasmo por explorar los
procesos internos de nuestro maravilloso universo,
entre los cuales la mecánica de fluidos es una parte
pequeña pero fascinante; nuestra esperanza es que
este libro aumente su amor por el conocimiento, no
sólo por la mecánica de fluidos, sino también por la
vida.
A C E R C A D E L O S A U T O R E S
Yunus A. Çengel es profesor emérito de Ingeniería mecánica en la Universi-
dad de Nevada, en Reno, Estados Unidos. Recibe su grado de licenciatura en Inge-
niería mecánica de la Universidad Técnica de Istanbul, y su grado de maestría en
Ciencias y doctor en Ingeniería Mecánica de la Universidad Estatal de Carolina del
Norte. Sus áreas de investigación son la energía renovable, la desalinización, el aná-
lisis exergético, el mejoramiento de la transferencia de calor y la conservación de
exergía. Sirvió como director del Centro de Evaluación Industrial (IAC, por sus siglas
en inglés) de la Universidad de Nevada en Reno, de 1996 a 2000. Ha dirigido grupos
de estudiantes de ingeniería en numerosas plantas de manufactura en Nevada del
Norte y California, para hacer evaluaciones industriales y preparar informes de con-
servación de energía, minimización de desperdicio y mejora de la productividad.
El doctor Çengel es coautor del libro de texto, ampliamente adoptado, Termodi-
námica, sexta edición (2009), publicado por McGraw-Hill. También es autor de
Transferencia de calor y masa, cuarta edición (2011), y coautor de Fundamentals of
Thermal-Fluid Sciences, tercera edición (2008), publicados por McGraw-Hill. Algu-
nos de estos textos han sido traducidos al chino, japonés, coreano, turco, italiano y
griego.
El doctor Çengel ha recibido diversos premios importantes a la enseñanza y obtuvo
el Premio ASEE al Autor Distinguido de Meriam-Wiley por excelencia en la autoría
en 1992 y en 2000.
El doctor Çengel es un ingeniero profesional registrado en el Estado de Nevada y
es miembro de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME, por sus
siglas en inglés) y la Sociedad Americana para Educación en Ingeniería (ASEE, por
sus siglas en inglés).
John M. Cimbala es profesor de Ingeniería Mecánica en la Universidad Esta-
tal de Pennsylvania, en University Park (Penn State). Recibió el grado de licenciatura
en Ingeniería Aeroespacial de la Penn State y el de maestría en Aeronáutica del Insti-
tuto Tecnológico de California (CalTech). Se graduó como doctor en Aeronáutica del
CalTech en 1984, bajo la supervisión del profesor Anatol Roshko, a quien estará por
siempre agradecido. Sus áreas de investigación incluyen tanto el aspecto experimen-
tal como el computacional de la mecánica de fluidos y la transferencia térmica, la tur-
bulencia, el modelado de turbulencia, la turbomaquinaria, calidad de aire en interiores
y control de contaminación de aire. Durante el año académico 1993-1994, el profesor
Cimbala tomó un periodo sabático para trabajar en el Centro de Investigación de la
NASA en Langley, donde avanzó su conocimiento de dinámica de fluidos computa-
cional (computational fluid dynamics) y modelado de turbulencia.
El doctor Cimbala es coautor de otros tres libros de texto: Indoor Air Quality Engi-
neering: Environmental Health and Control of Indoor Pollutants (2003), publicado
por Marcel-Dekker, Inc.; Essentials of Fluid Mechanics: Fundamentals and Applica-
tions) (2008), y Fundamentals of Thermal-Fluid Sciences, tercera edición (2008),
ambos publicados por McGraw-Hill. También ha contribuido parcialmente en otros
libros y es autor o coautor de docenas de artículos en revistas y de conferencias. Se
puede encontrar más información en www.mne.psu.edu/cimbala.
El profesor Cimbala ha recibido múltiples premios a la enseñanza y concibe su ofi-
cio de escritor de libros de texto como una extensión de su amor por la enseñanza. Es
miembro del Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica (AIAA), la Sociedad
Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME), la Sociedad Americana para la Educa-
ción en Ingeniería (ASEE) y la Sociedad Física Americana (APS).
S U M A R I O
C A P Í T U L O U N O
INTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS BÁSICOS 1
C A P Í T U L O D O S
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS 37
C A P Í T U L O T R E S
PRESIÓN Y ESTÁTICA DE FLUIDOS 73
C A P Í T U L O C U A T R O
CINEMÁTICA DE FLUIDOS 131
C A P Í T U L O C I N C O
ECUACIONES DE CONSERVACIÓN DE MASA, DE BERNOULLI
Y DE ENERGÍA 183
C A P Í T U L O S E I S
ANÁLISIS DE LA CANTIDAD DE MOVIMIENTO
DE LOS SISTEMAS DE FLUJO 239
C A P Í T U L O S I E T E
ANÁLISIS DIMENSIONAL Y MODELADO 283
C A P Í T U L O O C H O
FLUJO EN TUBERÍAS 337
C A P Í T U L O N U E V E
ANÁLISIS DIFERENCIAL DE FLUJO DE FLUIDOS 419
C A P Í T U L O D I E Z
SOLUCIONES APROXIMADAS DE LA ECUACIÓN DE NAVIER-STOKES 491
C A P Í T U L O O N C E
FLUJO EXTERNO: ARRASTRE Y SUSTENTACIÓN 583
C A P Í T U L O D O C E
FLUJO COMPRESIBLE 635
C A P Í T U L O T R E C E
FLUJO EN CANAL ABIERTO 701
C A P Í T U L O C A T O R C E
TURBOMAQUINARIA 761
C A P Í T U L O Q U I N C E
INTRODUCCIÓN A LA DINÁMICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL 853
C O N T E N I D O
Prefacio xv
C A P Í T U L O D O S
C A P Í T U L O U N O PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS 37
INTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS BÁSICOS 1
2-1 Introducción 38
Medio continuo 38
1-1 Introducción 2
¿Qué es un fluido? 2 2-2 Densidad y gravedad específica 39
Áreas de aplicación de la mecánica de fluidos 4 Densidad de los gases ideales 40
1-2 Condición de no-deslizamiento 6 2-3 Presión de vapor y cavitación 41
1-3 Breve historia de la mecánica de fluidos 7
2-4 Energía y calores específicos 43
1-4 Clasificación de los flujos de fluidos 9
2-5 Compresibilidad y velocidad del sonido 44
Regiones viscosas de flujo en comparación con las
no-viscosas 9 Coeficiente de compresibilidad 44
Flujo interno en comparación con el externo 10 Coeficiente de expansión volumétrica 46
Flujo compresible en comparación con el incompresible 10 La velocidad del sonido y el número de Mach 48
Flujo laminar en comparación con el turbulento 11 2-6 Viscosidad 50
Flujo natural (o no-forzado) en comparación
con el forzado 11 2-7 Tensión superficial y efecto capilar 55
Flujo estacionario en comparación con el
Efecto capilar 58
no-estacionario 11
Resumen 61
Flujos unidimensional, bidimensional y tridimensional 13
1-5 Sistema y volumen de control 14 Proyector de aplicaciones: cavitación 62
1-6 Importancia de las dimensiones Bibliografía y lecturas recomendadas 63
y de las unidades 15 Problemas 63
Algunas unidades SI e inglesas 16
Homogeneidad dimensional 19
Razones unitarias para conversión de unidades 20 C A P Í T U L O T R E S
1-7 Modelado matemático de los problemas PRESIÓN Y ESTÁTICA DE FLUIDOS 73
de ingeniería 21
Modelado en ingeniería 22 3-1 Presión 74
1-8 Técnica para la resolución de problemas 23 Presión en un punto 75
Paso 1: Enunciado del problema 23 Variación de la presión con la profundidad 76
Paso 2: Esquema 24 3-2 Dispositivos de medición de presión 79
Paso 3: Suposiciones y aproximaciones 24
Paso 4: Leyes físicas 24 El barómetro 79
Paso 5: Propiedades 24 El manómetro 82
Paso 6: Cálculos 24 Otros instrumentos para medir la presión 86
Paso 7: Razonamiento, verificación y discusión 24 3-3 Introducción a la estática de fluidos 87
1-9 Paquetes de software para ingeniería 25 3-4 Fuerzas hidrostáticas sobre superficies planas
Engineering Equation Solver (EES) (Programa para sumergidas 88
resolver ecuaciones de ingeniería) 26 Caso especial: placa rectangular sumergida 90
Flow-Lab 27
1-10 Exactitud, precisión y dígitos significativos 27 3-5 Fuerzas hidrostáticas sobre superficies curvas
Resumen 31 sumergidas 93
Bibliografía y lecturas recomendadas 31
3-6 Flotación y estabilidad 97
Proyector de aplicaciones: ¿qué tienen en Estabilidad de los cuerpos sumergidos y de los flotantes 100
común las explosiones nucleares y las gotas de 3-7 Fluidos en el movimiento del cuerpo rígido 102
lluvia? 32
Caso especial 1: Fluidos en reposo 104
Problemas 33 Caso especial 2: Caída libre de un cuerpo de fluido 104
ix
CONTENIDO
Aceleración sobre una trayectoria recta 105 5-3 Energía mecánica y eficiencia 192
Rotación en un recipiente cilíndrico 107
Resumen 110 5-4 La ecuación de Bernoulli 197
Bibliografía y lecturas recomendadas 111
Aceleración de una partícula de fluido 197
Problemas 111
Deducción de la ecuación de Bernoulli 198
Balance de fuerzas a través de las líneas de corriente 200
Flujo no estacionario y compresible 200
C A P Í T U L O C U A T R O
Presiones estática, dinámica y de estancamiento 200
Limitaciones en el uso de la ecuación de Bernoulli 202
CINEMÁTICA DE FLUIDOS 131
Línea de gradiente hidráulico (LGH) y línea de energía
(LE) 203
4-1 Descripciones lagrangiana y euleriana 132
Aplicaciones de la ecuación de Bernoulli 205
Campo de aceleraciones 134
5-5 Ecuación general de la energía 212
Derivada material 137
Transferencia de energía por calor, Q 213
4-2 Patrones de flujo y visualización del flujo 139 Transferencia de energía por trabajo, W 213
Líneas de corriente y tubos de corriente 139 5-6 Análisis de energía de los flujos estacionarios 217
Líneas de trayectoria 140
Caso especial: flujo incompresible sin aparatos de trabajo
Líneas de traza 142
mecánico y con fricción despreciable 219
Líneas fluidas 144
Factor de corrección de la energía cinética, a 219
Técnicas refractivas de visualización del flujo 145
Resumen 226
Técnicas de visualización del flujos sobre la superficie 146
Bibliografía y lecturas recomendadas 227
Problemas 227
4-3 Gráficas de los datos sobre flujo de fluidos 146
Gráficas de perfiles 147
C A P Í T U L O S E I S
Gráficas vectoriales 147
Gráficas de contornos 148
ANÁLISIS DE LA CANTIDAD DE MOVIMIENTO
4-4 Otras descripciones cinemáticas 149 DE LOS SISTEMAS DE FLUJO 239
Tipos de movimiento o deformación de los elementos
de fluidos 149 6-1 Leyes de Newton 240
4-5 Vorticidad y rotacionalidad 154 6-2 Elección de un volumen de control 241
Comparación de dos flujos circulares 157 6-3 Fuerzas que actúan sobre un volumen
4-6 El teorema del transporte de Reynolds 158 de control 242
Deducción alternativa del teorema del transporte 6-4 La ecuación de la cantidad de movimiento
de Reynolds 163 lineal 245
Relación entre la derivada material y el RTT 165
Casos especiales 247
Resumen 166
Factor de corrección del flujo de la cantidad de movimiento, B
247
Proyector de aplicaciones: actuadores
Flujo estacionario 249
fluídicos 167
Flujo sin fuerzas externas 250
Bibliografía y lecturas recomendadas 168 6-5 Repaso del movimiento de rotación y de la
Problemas 168
cantidad de movimiento angular 259
6-6 La ecuación de la cantidad de movimiento
C A P Í T U L O C I N C O angular 261
ECUACIONES DE CONSERVACIÓN DE MASA, Casos especiales 263
Flujo sin momentos externos 264
DE BERNOULLI Y DE ENERGÍA 183
Dispositivos de flujo radial 265
Resumen 269
5-1 Introducción 184 Bibliografía y lecturas recomendadas 270
Problemas 270
Conservación de la masa 184
Conservación de la cantidad de movimiento 184
Conservación de la energía 184 C A P Í T U L O S I E T E
5-2 Conservación de la masa 185 ANÁLISIS DIMENSIONAL Y MODELADO 283
Gastos de masa y de volumen 185
7-1 Dimensiones y unidades 284
Principio de conservación de la masa 187
Volúmenes de control en movimiento o en deformación 189
7-2 Homogeneidad dimensional 285
Balance de masa para procesos de flujo estacionario 189
Caso especial: flujo incompresible 190 Eliminación de dimensiones de las ecuaciones 286
