Enunciados, 10 MB - IqTMA-UVa - Universidad de Valladolid
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2005-Jun-No:1 [Solución] [Tema 2] [Índice] En la figura se muestra un cilindro horizontal que gira sumergido en un fluido viscoso. El nivel del líquido alcanza el eje del cilindro. Se pretende estudiar el movimiento del fluido en la delgada capa formada por el fluido arrastrado sobre la superficie del cilindro. Admitiendo régimen laminar, y despreciando los efectos de borde, simplifique las ecuaciones de variación que se muestran a continuación indicando en el recuadro una relación numerada de las razones por las que se anulan los términos, y anotando bajo cada término tachado el número correspondiente. Encuadre finalmente los términos que no se anulan. Nota: téngase en cuenta la disminución del espesor de la película de fluido al ascender por el cilindro. (Respuesta: +5) Zona de interés ∂ρ 1 ∂ 1 ∂ ∂ + ( ρrvr) + ( ρvθ ) + ( ρvz) = 0 ∂t r ∂r r ∂θ ∂z ⎛ 2 ∂vr ∂vr v vr v vr p 1 1 r rz vr θ ∂ θ ∂ ⎞ ∂ ⎛ ∂ ∂τ vz ( r rr) θ τ θθ ∂τ ⎞ ρ + + − + = − − τ + − + + ρg ⎜ r ∂t ∂r r ∂θ r ∂z ⎟ ∂r ⎜ r ∂r r ∂θ r ∂z ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎛∂vθ ∂vθ vθ ∂vθ vrvθ ∂v ⎞ θ 1 ∂p ⎛ 1 ∂ 2 1∂τθθ ∂τθz ⎞ ρ + vr + + + vz = − − ( r τ ) 2 rθ + + + g ⎜ ∂t ∂r r ∂θ r ∂z ⎟ r ∂θ ⎜ r ∂r r ∂θ ∂z ⎟ ρ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ θ ⎛∂vz ∂vz vθ ∂vz ∂vz ⎞ ∂p ⎛1 ∂ 1∂τθz ∂τ zz ⎞ ρ ⎜ + vr + + vz ( rτrz) ρg z t r r θ z ⎟ = − − z ⎜ + + + ⎝ ∂ ∂ ∂ ∂ ⎠ ∂ ⎝r ∂r r ∂θ ∂z ⎟ ⎠ Fenómenos de Transporte Depto. Ingeniería Química. Universidad de Valladolid
APÉNDICE Ley de Newton en coordenadas rectangulares ⎡ ∂v 2 x ⎤ τ xx = −μ⎢2 − ( ∇. v) x 3 ⎥ ⎣ ∂ ⎦ ⎡ ∂vy 2 ⎤ τ yy = −μ⎢2 − ( ∇. v) ⎥ ⎣ ∂y 3 ⎦ ⎡ ∂vz 2 ⎤ τ zz = −μ⎢2 − ( ∇. v) ∂z 3 ⎥ ⎣ ⎦ ∂v ∂v x y ∂vz ∇ = + + ∂x ∂y ∂z ( . v ) ⎡∂v ∂v x y ⎤ τ xy = τ yx = −μ ⎢ + ⎥ ⎣ ∂y ∂x ⎦ ⎡∂v y ∂vz ⎤ τ yz = τ zy = −μ ⎢ + ⎥ ⎣ ∂z ∂y ⎦ ⎡∂vz ∂vx ⎤ τ zx = τ xz = −μ ⎢ + ∂x ∂z ⎥ ⎣ ⎦ Ley de Newton en coordenadas cilíndricas ⎡ ∂v 2 r ⎤ τ rr = −μ⎢2 − ( ∇. v) r 3 ⎥ ⎣ ∂ ⎦ ⎡ ⎛1∂vθ vr ⎞ 2 τ θθ = −μ ⎢2 ⎜ + ( v r r ⎟− ∇. ) ⎤ ⎥ ⎣ ⎝ ∂θ ⎠ 3 ⎦ ⎡ ∂vz 2 ⎤ τ zz = −μ⎢2 − ( ∇. v) ∂z 3 ⎥ ⎣ ⎦ ⎡ ∂ ⎛vθ ⎞ 1 ∂vr ⎤ τrθ = τθr = − μ ⎢r r ⎜ r ⎟+ ⎥ ⎣ ∂ ⎝ ⎠ r ∂θ ⎦ ⎡∂vθ 1 ∂vz ⎤ τzθ = τθz = − μ ⎢ + z r θ ⎥ ⎣ ∂ ∂ ⎦ ⎡∂vz ∂vr ⎤ τzr = τrz = − μ ⎢ + ∂r ∂z ⎥ ⎣ ⎦ 1 ∂ 1∂vθ ∂vz ∇ = + + r ∂r r ∂θ ∂z ( . v) ( rvr ) Ley de Newton en coordenadas esféricas τ rr ⎡ ∂v 2 r ⎤ =−μ⎢2 − ( ∇. v) ∂r 3 ⎥ ⎣ ⎦ ⎡ ∂ ⎛vθ ⎞ 1 ∂vr ⎤ τrθ = τθr = − μ⎢r + ⎥ ∂r ⎜ r ⎟ ⎣ ⎝ ⎠ r ∂θ ⎦ τ τ θθ φφ ⎡ ⎛ 1∂v vr ⎞ 2 θ ⎤ =− μ⎢2 ⎜ + − ( ∇. v) ⎥ r ∂ r ⎟ ⎣ ⎝ θ ⎠ 3 ⎦ ⎡ ⎛ 1 ∂vφ v cot 2 2 ( . ) ⎤ r v ⎞ θ θ =− μ⎢ ⎜ + + ⎟− ∇v ⎥ ⎣⎢ ⎝r senθ ∂φ r r ⎠ 3 ⎥⎦ ⎡ senθ ∂ ⎛ vφ ⎞ 1 ∂v ⎤ θ τθφ = τφθ = − μ⎢ ⎜ ⎟+ ⎥ ⎢⎣ r ∂θ ⎝senθ ⎠ r senθ ∂φ ⎥⎦ ⎡ 1 ∂v v r ∂ ⎛ τφr = τrφ = − μ⎢ + r ⎜ ⎢⎣r senθ ∂φ ∂r ⎝ r φ ⎞⎤ ⎟⎥ ⎠⎥⎦ 1 1 1 ∂vφ ∇ = + + 2 r ∂r r senθ ∂θ r senθ ∂φ ∂ 2 ∂ ( . v) ( r vr ) ( vθ senθ ) Fenómenos de Transporte Depto. Ingeniería Química. Universidad de Valladolid
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APÉNDICE<br />
Ley <strong>de</strong> Newton en coor<strong>de</strong>nadas rectangulares<br />
⎡ ∂v<br />
2 <br />
x<br />
⎤<br />
τ xx = −μ⎢2 − ( ∇.<br />
v)<br />
x 3<br />
⎥<br />
⎣ ∂<br />
⎦<br />
⎡ ∂vy<br />
2 ⎤<br />
τ yy = −μ⎢2 − ( ∇.<br />
v)<br />
⎥<br />
⎣ ∂y<br />
3 ⎦<br />
⎡ ∂vz<br />
2 ⎤<br />
τ zz = −μ⎢2 − ( ∇.<br />
v)<br />
∂z<br />
3<br />
⎥<br />
⎣<br />
⎦<br />
∂v<br />
∂v<br />
x y ∂vz<br />
∇ = + +<br />
∂x ∂y ∂z<br />
( . v )<br />
⎡∂v<br />
∂v<br />
x y ⎤<br />
τ xy = τ yx = −μ ⎢ + ⎥<br />
⎣ ∂y<br />
∂x<br />
⎦<br />
⎡∂v<br />
y ∂vz<br />
⎤<br />
τ yz = τ zy = −μ ⎢ + ⎥<br />
⎣ ∂z<br />
∂y<br />
⎦<br />
⎡∂vz<br />
∂vx<br />
⎤<br />
τ zx = τ xz = −μ ⎢ +<br />
∂x<br />
∂z<br />
⎥<br />
⎣ ⎦<br />
Ley <strong>de</strong> Newton en coor<strong>de</strong>nadas cilíndricas<br />
⎡ ∂v<br />
2 <br />
r<br />
⎤<br />
τ rr = −μ⎢2 − ( ∇. v)<br />
r 3<br />
⎥<br />
⎣ ∂ ⎦<br />
⎡ ⎛1∂vθ<br />
vr<br />
⎞ 2 <br />
τ θθ = −μ ⎢2 ⎜ + ( v<br />
r r<br />
⎟− ∇. ) ⎤<br />
⎥<br />
⎣ ⎝ ∂θ ⎠ 3 ⎦<br />
⎡ ∂vz<br />
2 ⎤<br />
τ zz = −μ⎢2 − ( ∇. v)<br />
∂z<br />
3<br />
⎥<br />
⎣<br />
⎦<br />
⎡ ∂ ⎛vθ<br />
⎞ 1 ∂vr<br />
⎤<br />
τrθ<br />
= τθr<br />
= − μ ⎢r<br />
r<br />
⎜<br />
r<br />
⎟+<br />
⎥<br />
⎣ ∂ ⎝ ⎠ r ∂θ<br />
⎦<br />
⎡∂vθ<br />
1 ∂vz<br />
⎤<br />
τzθ<br />
= τθz<br />
= − μ ⎢ +<br />
z r θ<br />
⎥<br />
⎣ ∂ ∂ ⎦<br />
⎡∂vz<br />
∂vr<br />
⎤<br />
τzr<br />
= τrz<br />
= − μ ⎢ +<br />
∂r<br />
∂z<br />
⎥<br />
⎣ ⎦<br />
1 ∂ 1∂vθ<br />
∂vz<br />
∇ = + +<br />
r ∂r r ∂θ ∂z<br />
( . v) ( rvr<br />
)<br />
Ley <strong>de</strong> Newton en coor<strong>de</strong>nadas esféricas<br />
τ<br />
rr<br />
⎡ ∂v<br />
2 <br />
r<br />
⎤<br />
=−μ⎢2 − ( ∇. v)<br />
∂r<br />
3<br />
⎥<br />
⎣<br />
⎦<br />
⎡ ∂ ⎛vθ<br />
⎞ 1 ∂vr<br />
⎤<br />
τrθ<br />
= τθr<br />
= − μ⎢r<br />
+ ⎥<br />
∂r ⎜<br />
r<br />
⎟<br />
⎣ ⎝ ⎠ r ∂θ<br />
⎦<br />
τ<br />
τ<br />
θθ<br />
φφ<br />
⎡ ⎛ 1∂v<br />
vr<br />
⎞ 2 <br />
θ<br />
⎤<br />
=− μ⎢2 ⎜ + − ( ∇. v)<br />
⎥<br />
r ∂ r<br />
⎟<br />
⎣ ⎝ θ ⎠ 3 ⎦<br />
⎡ ⎛ 1 ∂vφ<br />
v cot 2<br />
2 ( . ) ⎤<br />
r v ⎞ <br />
θ θ <br />
=− μ⎢<br />
⎜<br />
+ + ⎟− ∇v<br />
⎥<br />
⎣⎢<br />
⎝r senθ<br />
∂φ<br />
r r ⎠ 3 ⎥⎦<br />
⎡ senθ<br />
∂ ⎛ vφ<br />
⎞ 1 ∂v<br />
⎤<br />
θ<br />
τθφ<br />
= τφθ<br />
= − μ⎢<br />
⎜ ⎟+<br />
⎥<br />
⎢⎣<br />
r ∂θ ⎝senθ ⎠ r senθ ∂φ<br />
⎥⎦<br />
⎡ 1 ∂v<br />
v<br />
r ∂ ⎛<br />
τφr<br />
= τrφ<br />
= − μ⎢<br />
+ r ⎜<br />
⎢⎣r senθ<br />
∂φ<br />
∂r ⎝ r<br />
φ<br />
⎞⎤<br />
⎟⎥<br />
⎠⎥⎦<br />
1 1 1 ∂vφ<br />
∇ = + +<br />
2<br />
r ∂r r senθ ∂θ r senθ ∂φ<br />
∂ 2<br />
∂<br />
( . v) ( r vr<br />
) ( vθ<br />
senθ<br />
)<br />
Fenómenos <strong>de</strong> Transporte<br />
Depto. Ingeniería Química. <strong>Universidad</strong> <strong>de</strong> <strong>Valladolid</strong>