En física e ingeniería , en particular en dinámica de fluidos , el caudal volumétrico (también conocido como caudal volumétrico o velocidad volumétrica ) es el volumen de fluido que pasa por unidad de tiempo; normalmente se representa con el símbolo Q (a veces ). Contrasta con el caudal másico , que es el otro tipo principal de caudal de fluido. En la mayoría de los contextos, es probable que una mención de caudal de fluido se refiera al caudal volumétrico. En hidrometría , el caudal volumétrico se conoce como caudal .
El caudal volumétrico no debe confundirse con el flujo volumétrico , definido por la ley de Darcy y representado por el símbolo q , con unidades de m 3 /(m 2 ·s), es decir, m·s −1 . La integración de un flujo sobre un área da el caudal volumétrico.
La unidad del SI es metros cúbicos por segundo (m 3 /s). Otra unidad utilizada son los centímetros cúbicos estándar por minuto (SCCM). En las unidades habituales de EE. UU. y las unidades imperiales , el caudal volumétrico a menudo se expresa como pies cúbicos por segundo (ft 3 /s) o galones por minuto (definiciones estadounidenses o imperiales). En oceanografía , el sverdrup (símbolo: Sv, que no debe confundirse con el sievert ) es una unidad métrica de caudal no perteneciente al SI , donde 1 Sv equivale a 1 millón de metros cúbicos por segundo (260 000 000 galones estadounidenses/s); [1] [2] es equivalente a la unidad derivada del SI hectómetro cúbico por segundo (símbolo: hm 3 /s o hm 3 ⋅s −1 ). Lleva el nombre de Harald Sverdrup y se utiliza casi exclusivamente en oceanografía para medir la tasa volumétrica de transporte de las corrientes oceánicas .
El caudal volumétrico se define por el límite [3]
es decir, el flujo de volumen de fluido V a través de una superficie por unidad de tiempo t .
Como esta es solo la derivada temporal del volumen, una cantidad escalar, el caudal volumétrico también es una cantidad escalar. El cambio de volumen es la cantidad que fluye después de cruzar el límite durante un período de tiempo, no simplemente la cantidad inicial de volumen en el límite menos la cantidad final en el límite, ya que el cambio de volumen que fluye a través del área sería cero para un flujo constante.
La IUPAC [4] prefiere la notación [5] y [6] para el flujo volumétrico y el flujo másico respectivamente, para distinguirlos de la notación [7] para el calor.
El caudal volumétrico también se puede definir mediante
dónde
La ecuación anterior solo es válida para una velocidad de flujo uniforme u homogénea y una sección transversal plana. En general, si se incluyen velocidades de flujo variables en el espacio o no homogéneas y superficies curvas, la ecuación se convierte en una integral de superficie :
Esta es la definición que se utiliza en la práctica. El área necesaria para calcular el caudal volumétrico es real o imaginaria, plana o curva, ya sea como área de sección transversal o como superficie. El vector área es una combinación de la magnitud del área por la que pasa el volumen, A , y un vector unitario normal al área, . La relación es .
La razón del producto escalar es la siguiente: el único volumen que fluye a través de la sección transversal es la cantidad normal al área, es decir, paralela a la normal unitaria. Esta cantidad es
donde θ es el ángulo entre la normal unitaria y el vector de velocidad v de los elementos de la sustancia. La cantidad que pasa a través de la sección transversal se reduce por el factor cos θ . A medida que θ aumenta, pasa menos volumen. La sustancia que pasa tangencialmente al área, es decir, perpendicular a la normal unitaria, no pasa a través del área. Esto ocurre cuando θ = π/2 y entonces esta cantidad del caudal volumétrico es cero:
Estos resultados son equivalentes al producto escalar entre la velocidad y la dirección normal al área.
Cuando se conoce el caudal másico y se puede suponer que la densidad es constante, existe una forma sencilla de obtener :
dónde
En los motores de combustión interna, la integral de área temporal se considera en el rango de apertura de la válvula. La integral de elevación temporal se da por
donde T es el tiempo por revolución, R es la distancia desde la línea central del árbol de levas hasta la punta de la leva, r es el radio del árbol de levas (es decir, R − r es la elevación máxima), θ 1 es el ángulo donde comienza la apertura y θ 2 es donde se cierra la válvula (segundos, mm, radianes). Esto debe factorizarse por el ancho (circunferencia) de la garganta de la válvula. La respuesta generalmente está relacionada con el volumen barrido del cilindro.
