INTRODUCCION A LOS FLUIDOS NO NEWTONIANOS - ITESCAM
INTRODUCCION A LOS FLUIDOS NO NEWTONIANOS - ITESCAM
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1<br />
<strong>INTRODUCCION</strong> A <strong>LOS</strong> <strong>FLUIDOS</strong> <strong>NO</strong> NEWTONIA<strong>NO</strong>S<br />
Preparado por<br />
Ing. Esteban Luis Ibarrola<br />
Cátedra de Mecánica de los Fluidos- UNCor<br />
1. Introducción.<br />
La Ley de la viscosidad de Newton vista con anterioridad, establece que en movimientos<br />
fluidos laminares existe una relación lineal entre las tensiones tangenciales y los<br />
gradientes de velocidad, siendo la constante de proporcionalidad una propiedad física del<br />
fluido llamada viscosidad dinámica o absoluta µ :<br />
∂u<br />
= µ<br />
∂y<br />
τ (1)<br />
Aquellos fluidos que verifican la relación (1) , se denominan fluidos newtonianos, y<br />
muchos fluidos comunes tanto líquidos como gaseosos se comportan siguiendo esa<br />
relación. La misma también puede expresarse de otro modo analizando la deformación en<br />
el entorno de un punto. Por simplicidad, pero sin pérdida de generalidad, considérese un<br />
movimiento unidimensional donde la componente u según el eje x de la velocidad V sea<br />
una función solamente de la coordenada y , que dicha componente varíe linealmente con<br />
y de tal manera que ∂ u ∂y<br />
> 0.Un rectángulo de fluido infinitesimal de lados dx . dy antes<br />
de deformarse está definido por los vértices 0123, y luego de un instante dt pasará a<br />
ocupar el cuadrilátero 012' 3' :<br />
Fig. Nº1- Deformación de un elemento fluido<br />
La distorsión o deformación angular de los segmentos 03 y 12 luego de un instante dt en<br />
ese campo de movimiento será:
2<br />
dγ<br />
33′<br />
= 03<br />
=<br />
∂u<br />
dy<br />
∂y<br />
dy<br />
dt<br />
=<br />
∂u<br />
dt<br />
∂t<br />
(2)<br />
de la (2) se obtiene la siguiente conclusión : el gradiente de velocidad es igual a la<br />
velocidad de deformación o velocidad de distorsión angular:<br />
dγ<br />
∂u<br />
= γ =<br />
dt ∂y<br />
(3)<br />
Consecuentemente, la ley de la viscosidad de Newton puede escribirse también<br />
indistintamente como:<br />
τ =<br />
∂u<br />
µ<br />
∂y<br />
dγ<br />
= µ = µ γ<br />
dt<br />
(4)<br />
Sin embargo, existen algunas sustancias industrialmente importantes que no se<br />
comportan siguiendo la ley de Newton de la viscosidad, ya que su viscosidad a una<br />
temperatura y presión dadas es función del gradiente de velocidad o velocidad de<br />
deformación. A los fluidos cuya relación entre tensión-- velocidad de deformación no es<br />
proporcional, se los ha denominado fluidos no-newtonianos . La Mecánica de los Fluidos<br />
se ocupa del estudio de los fluidos newtonianos exclusivamente; mientras que los fluidos<br />
no-newtonianos son parte de una ciencia mas amplia denominada Reología. La Reología<br />
es la ciencia que estudia y analiza los fenómenos de flujo y deformación y las propiedades<br />
mecánicas de los gases, líquidos , plásticos y comprende el estudio de las substancias<br />
que "fluyen" pero que su comportamiento no está regido por la (4). Consecuentemente se<br />
puede decir que el campo de la Reología se extiende desde la Mecánica de los Fluidos<br />
Newtonianos hasta la elasticidad de Hooke . La región comprendidas entre ellas<br />
corresponde a todos los materiales pastosos y a las suspensiones.<br />
El mundo real existen una amplia variedad de fluidos tan comunes como los newtonianos<br />
que no siguen la simple relación dada por ley de Newton, especialmente en las industrias<br />
químicas, alimenticias y en la industria del petróleo, y de allí la importancia de su estudio<br />
para un adecuado y correcto tratamiento. Pueden mencionarse, entre otros ,los siguientes<br />
fluidos no-newtonianos:<br />
• Pinturas y barnices.<br />
• Soluciones de polímeros.<br />
• Mermeladas y jaleas.<br />
• Mayonesa y manteca.<br />
• Dulce de leche y la miel.<br />
• Salsas y melazas.<br />
• Soluciones de agua con arcillas y carbón.<br />
• La sangre humana.
3<br />
Aun cuando el análisis y tratamiento de los fluidos no-newtonianos es menos preciso y<br />
elegante matemáticamente que el de los newtonianos, el estudio de este tipo de<br />
movimientos tiene características muy interesantes y excitantes, y quizá un espectro de<br />
aplicación práctico mucho mas amplio.<br />
Otro ejemplo típico de fluidos no-newtonianos son los fluidos utilizados en la técnica de<br />
fractura de los pozos de petróleo que se aplica para aumentar la producción de los<br />
mismos. Consiste en una solución de agua con materiales que constituyen un fluido de<br />
alta densidad en el que permanecen en suspensión arena, vidrio y hasta esferas<br />
metálicas . Este fluido con elementos en suspensión puede bombearse al pozo en<br />
grandes caudales con pérdidas de carga del orden de la mitad de la correspondiente al<br />
agua.<br />
2. Características y clasificación de los fluidos no-newtonianos.<br />
Los fluidos que no siguen la relación de proporcionalidad entre tensiones tangenciales y<br />
velocidades de deformación se los clasifica en 3 grupos:<br />
• Fluidos no-newtonianos independientes del tiempo para los cuales se verifica;<br />
τ<br />
f (γ )<br />
= (5)<br />
• Fluidos no-newtonianos dependientes del tiempo en los que la relación anterior es<br />
mas compleja, y que puede expresarse como:<br />
τ<br />
f ( γ , t , historia)<br />
= (6)<br />
• Fluidos visco-elásticos, fluidos en los que a diferencia de los viscosos donde la<br />
energía de deformación es disipada totalmente, esa energía puede recuperarse como<br />
sucede en los sólidos elásticos.<br />
3. Fluidos no-newtonianos independientes del tiempo.<br />
Los fluidos no-newtonianos independientes del tiempo, se caracterizan porque las<br />
tensiones tangenciales dependen únicamente de la velocidad de deformación, y se<br />
representan funcionalmente en tres formas equivalentes:<br />
∂u dγ<br />
τ = f ( ) τ = f ( )<br />
∂ y<br />
τ f (γ<br />
)<br />
dt<br />
= (7)
4<br />
La gran mayoría de los fluidos no-newtonianos que tienen aplicaciones en problemas de<br />
ingeniería caen dentro de esta categoría, y en ciertos casos algunos fluidos dependientes<br />
del tiempo pueden ser aproximados o modelizados como fluidos independientes del<br />
tiempo.<br />
Para visualizar y analizar los fluidos no-newtonianos resulta mas cómodo representar el<br />
comportamiento de la función (7 ) en un sistema de ejes coordenados cartesianos τ -γ<br />
según se indica en la Fig. Nº2. Se pueden identificar 4 tipos de fluidos no-newtonianos<br />
independientes del tiempo.<br />
Fig.Nº2- Clasificación de los fluidos según la relación τ = f (γ<br />
)<br />
El comportamiento de los fluidos indicados en la Fig Nº2 suele expresarse en forma<br />
generalizada mediante la siguiente ecuación:<br />
∂u<br />
= η<br />
∂y<br />
τ o<br />
dγ<br />
τ = η o τ f (γ<br />
)<br />
dt<br />
= (8)<br />
donde η puede ser indistintamente un función tanto de la tensión tangencial τ como<br />
de la velocidad de deformación γ .<br />
3.1-Plástico ideal o de Bingham<br />
Se denomina plástico ideal o de Bingham a las sustancias o fluidos que para<br />
tensiones tangenciales inferiores a un valor característico τ<br />
0 se comportan elásticamente,<br />
y superado ese valor muestran un comportamiento similar al de un fluido newtoniano. A
5<br />
este tipo de fluido lo caracteriza dos constantes, la tensión tangencial de fluencia que es<br />
el valor de τ<br />
0 para que se inicie el flujo, y el coeficiente de viscosidad plástica µ<br />
p dado por<br />
la pendiente d τ d γ .La relación que siguen los plásticos de Bingham es:<br />
∂u<br />
τ = τ<br />
0<br />
+ µ<br />
p ∂<br />
0 τ τ + µ <br />
pγ<br />
y<br />
= 0 (9)<br />
El modelo de plástico de Bingham es aplicable al comportamiento de muchos fluidos de la<br />
vida real como plásticos, emulsiones , pinturas, lodos de perforación y sólidos en<br />
suspensión en líquidos o agua.<br />
3.2-Plástico real<br />
Son sustancias que no fluyen hasta la tensión de fluencia τ<br />
0<br />
, y luego<br />
presentan una zona de viscosidad variable que disminuye con el incremento de la<br />
velocidad de deformación, hasta alcanzar un valor asintótico constante µ .<br />
∞<br />
3.3-Fluidos pseudoplásticos<br />
Los fluidos pseudoplásticos no tienen una tensión de fluencia para que<br />
comiencen a deformarse, pero la viscosidad medida por la pendiente de la curva<br />
τ = f (γ )<br />
es alta para bajas velocidades de deformación, y decrece con el incremento de<br />
γ hasta alcanzar un valor asintótico µ<br />
∞<br />
constante . La relación mas simple que describe<br />
el comportamiento de los fluidos pseudoplásticos es la denominada ley potencial o de<br />
Ostwald que puede escribirse como :<br />
τ<br />
<br />
n<br />
= kγ siendo n < 1 (10)<br />
k y n son constantes para un fluido particular. La constante k es una medida de la<br />
consistencia del fluido y se denomina índice de consistencia, y el exponente n es<br />
indicativo de la desviación respecto al fluido con comportamiento newtoniano y se lo suele<br />
llamar índice de comportamiento. Obsérvese que cuando n = 1 , y k = µ la ecuación<br />
(8) representa a un fluido newtoniano.<br />
Para estos fluidos se define un coeficiente de viscosidad aparente, como:<br />
µ = τ γ<br />
a<br />
(11)
6<br />
Cuando el fluido se modeliza con la ley potencial, el coeficiente de viscosidad aparente<br />
reemplazando la (10) en la (11) resulta:<br />
n<br />
k γ<br />
µ<br />
a<br />
= = k γ<br />
γ<br />
( n−1)<br />
(12)<br />
La ley potencial tiene un defecto, y es que cuando γ → 0 la viscosidad aparente<br />
µ<br />
a<br />
→ ∞ , lo cual es físicamente imposible. Además la constante de consistencia k tiene<br />
dimensiones que depende de n ,y éste coeficiente no se mantiene constante en ciertos<br />
intervalos de flujo. A pesar de estas insuficiencias, el modelo de la ley potencial por su<br />
simplicidad resulta sumamente útil para abordar el tratamiento de algunos tipos de<br />
problemas como el de flujos en tuberías como se verá mas adelante. Otras ecuaciones<br />
empíricas que permiten modelizar con mejor aproximación un fluido pseudoplástico y que<br />
superan las carencias de la ley potencial son las siguientes:<br />
−<br />
Ley de Prandtl τ = Asen 1 ( γ C)<br />
<br />
γ τ<br />
Ley de Eyring τ = + C sen( )<br />
B A<br />
−<br />
Ley de Powell-Eyring τ = Aγ<br />
+ B senh 1 ( Cγ<br />
)<br />
<br />
<br />
Ley de Williamson<br />
τ = A γ (B + γ ) + µ<br />
∞<br />
γ<br />
donde A, B y C son constantes características de cada fluido particular.<br />
El uso de ley potencial para el análisis de fluidos pseudoplásticos es adecuado para<br />
muchas aplicaciones de ingeniería. Las otras aproximaciones para modelizar este tipo de<br />
fluido conduce a análisis mas complejos debiendo recurrirse a programas<br />
computacionales muy elaborados que se basan e leyes empíricas obtenidas de<br />
mediciones de las propiedades viscosas del fluido.<br />
3.4-Fluidos dilatantes.<br />
Los fluidos dilatantes al igual que los pseudoplásticos no tienen una tensión de<br />
fluencia inicial, pero el coeficiente η de la ecuación (2) disminuye al aumentar el gradiente<br />
de velocidad hasta que para grandes valores de éste adquiere un valor µ<br />
∞ constante. Los<br />
fluidos dilatantes son mucho menos comunes que los pseudoplásticos. Ejemplo de fluidos<br />
que exhiben este comportamiento son la manteca, las arenas movedizas y las<br />
suspensiones de almidón. Se pueden modelizar con la ley potencial, con exponente n >1:
7<br />
τ<br />
<br />
n<br />
= kγ siendo n >1 (13)<br />
Los fluidos que siguen la ley potencial se pueden representar gráficamente de un modo<br />
mas simple tomando logaritmos a ambos miembros de (11):<br />
logτ<br />
log k + n log γ<br />
= (14)<br />
La representación de la expresión anterior en escala logarítmica para los dos ejes es una<br />
línea recta, cuya pendiente es el coeficiente de comportamiento n , y la intercepción con<br />
el eje de ordenadas correspondiente a log γ = 0 equivalente a γ = 1 da el valor de log k<br />
que permite determinar el coeficiente de consistencia k .<br />
Fig. Nº3- Representación logarítmica de la ley potencial<br />
4. Fluidos no-newtonianos dependientes del tiempo.<br />
Existen otro tipo de fluidos que son mas complejos que los vistos y cuya<br />
viscosidad aparente depende no solo de la velocidad de deformación γ , sino también del<br />
tiempo durante el cual actúa la tensión tangencial τ . Se los clasifica en dos grupos<br />
principales:<br />
• Fluidos tixotrópicos<br />
• Fluidos reopécticos.
8<br />
En los tixotrópicos la tensión tangencial disminuye con el tiempo, mientras que en los<br />
reopécticos se incrementa. Un ejemplo común de fluido tixotrópico lo constituye la tinta de<br />
impresión que generalmente se la trabaja en rollos antes de aplicarla a una placa.<br />
4-1-Fluidos tixotrópicos.<br />
La viscosidad aparente de los fluidos tixotrópicos es una función tanto de la<br />
tensión tangencial como de la velocidad de deformación:<br />
µ f ( τ , γ )<br />
a = (15)<br />
Al actuar una tensión tangencial a este fluido desde el estado de reposo, sufre un<br />
proceso, de fraccionamiento a escala molecular seguido de una reconstitución estructural<br />
a medida que transcurre el tiempo. Eventualmente y en ciertas circunstancias ,se logra un<br />
estado de equilibrio donde el fraccionamiento molecular iguala a la reconstitución. Si la<br />
tensión tangencial cesa, el fluido se recupera lentamente y vuelve a adquirir su<br />
consistencia original en un proceso que se caracteriza por su reversibilidad.<br />
En la Fig. Nº4 se muestra el la tensión tangencial en función de la velocidad de<br />
deformación de un fluido tixotrópico cuando se lo somete a una tensión y luego de<br />
sucesivos tiempos de reposo. Inicialmente la curva que se muestra es la de un fluido<br />
newtoniano, pero esta no es la regla, y puede inicialmente ser no newtoniano. Otra<br />
característica de los tixotrópicos es que cuando se la aplica una tensión tangencial<br />
creciente, dan un curva cerrada similar a un lazo de histéresis como se muestra en la Fig.<br />
Nº5 para un fluido pseudoplástico tixotrópico.<br />
Fig.Nº 4 Comportamiento de un fluido tixotrópico en el tiempo
9<br />
Fig. Nº5- Histéresis de un fluido pseudoplástico tixotrópico<br />
Algunos plásticos de Bingham tienen comportamiento tixotrópico, pero si la tensión<br />
tangencial es suficientemente alta se fraccionan molecularmente y posteriormente van<br />
reconstruyendo paulatinamente su estructura molecular, y terminan comportándose como<br />
fluidos newtonianos. A estos se los denomina plástico de Bingham tixotrópico<br />
verdadero y su diagrama tensión – velocidad de deformación se muestra en al Fig.Nº6.<br />
Sin embargo algunas sustancias llamados cuerpos falsos, retienen una tensión de<br />
fluencia cuando cesa la deformación, y luego de transcurrido cierto tiempo recuperan su<br />
resistencia de fluencia original como se muestra en la Fig. Nº7<br />
Fig.Nº6- Plástico de Bingham tixotrópico verdadero
10<br />
4.2-Fluidos reopécticos<br />
Fig. Nº7- Comportamiento de un cuerpo falso<br />
Los fluidos reopécticos se comportan en forma parecida a los tixotrópicos, pero<br />
en ellos la variable η tiene un incremento con la velocidad de deformación similarmente a<br />
la de un fluido dilatante en su fase inicial de deformación hasta alcanzar un valor límite<br />
donde τ comienza a disminuir con γ . En la Fig.Nº8 se puede ver la curva τ = f (γ<br />
)<br />
típica de un fluido reopéctico. Un ejemplo de fluido reopéctico es el espesamiento de la<br />
clara de huevo por efecto de la agitación, aunque quizá la clara de huevo no es un<br />
verdadero fluido reopéctico. Otras sustancias tienen propiedades reopécticas inicialmente,<br />
pero la pierden para altas tensiones tangenciales, volviéndose tixotrópicos.<br />
Fig.Nº8 Comportamiento de un fluido reopéctico
11<br />
5. Fluidos viscoelásticos.<br />
Los materiales viscoelásticos exhiben propiedades elásticas y viscosas, y el<br />
mas simple es aquel que desde el punto de vista de la viscosidad se comporta como<br />
newtoniano, y en lo referente a su elasticidad sigue a la ley de Hooke. Para estos<br />
materiales le velocidad e deformación se expresa:<br />
τ τ<br />
γ = +<br />
µ λ<br />
0<br />
(16)<br />
siendo λ el módulo de rigidez. Para un flujo estacionario = 0 , y el fluido se comporta<br />
como un fluido newtoniano simple. Sin embargo al varíar la tensión tangencial comienzan<br />
a manifestarse los efectos elásticos.<br />
Maxwell propuso inicialmente la siguiente ecuación para los fluidos viscoelásticos:<br />
τ<br />
τ<br />
( µ λ = µ γ<br />
+<br />
0<br />
)<br />
0<br />
(17)<br />
−1<br />
y los líquidos que cumplen esa ley se llaman líquidos de Maxwell. La constante ( µ λ )<br />
se conoce como tiempo de relajación y es físicamente la constante de tiempo del<br />
decremento exponencial de la tensión para una deformación constante.<br />
0