Diámetro hidráulico

Medida de la eficiencia del flujo de un canal

El diámetro hidráulico , D _H , es un término que se utiliza habitualmente cuando se trata de flujo en tubos y canales no circulares. Con este término se pueden calcular muchas cosas de la misma forma que para un tubo redondo. Cuando la sección transversal es uniforme a lo largo de la longitud del tubo o canal, se define como ^{[1] [2]}

${\displaystyle D_{\text{H}}={\frac {4A}{P}},}$

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 como una 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 la tensión cortante del fluido. ^[3]

${\displaystyle R_{\text{H}}={\frac {A}{P}},}$

${\displaystyle D_{\text{H}}=4R_{\text{H}},}$

Téngase en cuenta que para el caso de una tubería circular,

${\displaystyle D_{\text{H}}={\frac {4\pi R^{2}}{2\pi R}}=2R}$

La necesidad del diámetro hidráulico surge debido al uso de una única dimensión en el caso de una cantidad adimensional como el número de Reynolds , que prefiere una única variable para el análisis del flujo en lugar del conjunto de variables que se enumeran en la siguiente tabla. La fórmula de Manning contiene una cantidad llamada radio hidráulico . A pesar de lo que el nombre pueda sugerir, 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 de la tensión de corte turbulenta en el flujo turbulento. El diámetro hidráulico también se utiliza en el cálculo de la transferencia de calor en problemas de flujo interno. ^[4]

Canales de sección transversal no uniforme y no circular

En el caso más general, canales con área de sección transversal no circular y no uniforme, como la válvula Tesla , el diámetro hidráulico se define como: ^[5]

${\displaystyle D_{\text{H}}={\frac {4V}{S}},}$

dónde

V es el volumen total mojado del canal,

S es la superficie total mojada.

Esta definición se reduce a canales de sección transversal uniforme no circular y a tuberías circulares. ${\displaystyle {\frac {4A}{P}}}$ ${\displaystyle 2R}$

Lista de diámetros hidráulicos

Para un conducto o tubería completamente lleno cuya sección transversal es un polígono regular convexo , el diámetro hidráulico es equivalente al diámetro de un círculo inscrito dentro del perímetro mojado . Esto se puede ver de la siguiente manera: El 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 ${\displaystyle D}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle D/2}$ ${\displaystyle B=D\tan(\pi /N)}$ ${\displaystyle BD/4}$ ${\displaystyle B}$

${\displaystyle D_{\text{H}}=4{\frac {NBD/4}{NB}}=D}$

para el diámetro hidráulico.

Referencias

1. Kudela, Henryk (mayo de 2017). "Flujo viscoso en tuberías" (PDF) . pág. 3.
2. "Diámetro hidráulico para conductos no circulares" (PDF) . Mayo de 2017. p. 2. Archivado desde el original (PDF) el 14 de junio de 2011.
3. Frank M. White. Mecánica de fluidos . Séptima edición.
4. SG Kandlikar; Srinivas Garimella ; Dongqing Li; Stéphane Colin; Michael R. King (2013). Transferencia de calor y flujo de fluidos en minicanales y microcanales (2.ª ed.). Oxford: Butterworth-Heinemann. doi :10.1016/C2011-0-07521-X. ISBN 978-0-08-098351-6.OCLC 862108729  .
5. Nguyen, Quynh M.; Huang, Dean; Dean, Evan; Romanelli, Genievieve; Meyer, Charlotte; Ristroph, Leif (octubre de 2020). "El diodo fluídico de Tesla y la analogía electrónica-hidráulica". American Journal of Physics . 89 (4): 393–402. arXiv : 2103.14813 . doi :10.1119/10.0003395. S2CID  232401497.

Véase también

• Diámetro esférico equivalente
• Radio hidráulico
• Factor de fricción de Darcy