Calculadora de Flujo Estrangulado

Antecedentes históricos

El flujo ahogado se refiere a una condición en la dinámica de fluidos donde el caudal de un fluido compresible que pasa a través de una restricción (como una boquilla u orificio) está limitado por la velocidad del sonido en el fluido. Esto ocurre cuando la presión aguas abajo es suficientemente baja en relación con la presión aguas arriba, haciendo que el flujo alcance la velocidad sónica en el punto más estrecho de la restricción. El flujo ahogado es un concepto crítico en el diseño de boquillas, tuberías y válvulas, particularmente en ingeniería de gas y aeroespacial.

Fórmula de cálculo

El caudal de flujo ahogado para un gas compresible se puede calcular utilizando la siguiente fórmula:

\[ \dot{m} = A \cdot P_1 \cdot \sqrt{\frac{\gamma}{R \cdot T}} \cdot \left(\frac{2}{\gamma + 1}\right)^{\frac{\gamma + 1}{2(\gamma - 1)}} \]

Donde:

• \(\dot{m}\) = Caudal de flujo ahogado (kg/s)
• \(A\) = Área de flujo (m²)
• \(P_1\) = Presión aguas arriba (Pa)
• \(\gamma\) = Relación de calor específico
• \(R\) = Constante de gas específica (J/kg·K)
• \(T\) = Temperatura (K)

Ejemplo de cálculo

Para un gas con una presión aguas arriba de \(P_1 = 500,000 \, \text{Pa}\), área de flujo \(A = 0.01 \, \text{m}^2\), relación de calor específico \(\gamma = 1.4\), temperatura \(T = 300 \, \text{K}\), y constante de gas \(R = 287.05 \, \text{J/kg·K}\), el caudal de flujo ahogado sería:

\[ \dot{m} = 0.01 \cdot 500,000 \cdot \sqrt{\frac{1.4}{287.05 \cdot 300}} \cdot \left(\frac{2}{1.4 + 1}\right)^{\frac{1.4 + 1}{2(1.4 - 1)}} \approx 3.57 \, \text{kg/s} \]

Importancia y escenarios de uso

El flujo ahogado es importante en muchos campos de la ingeniería, tales como:

• Gasoductos: Asegurar caudales seguros y eficientes.
• Motores de cohetes: Optimizar los diseños de boquillas para un empuje máximo.
• Válvulas de seguridad: Asegurar que los sistemas de presión no superen los límites seguros.

En estas aplicaciones, la predicción del caudal es crucial para el rendimiento y la seguridad.

Preguntas frecuentes

1. ¿Qué es el flujo ahogado? El flujo ahogado ocurre cuando el caudal de un gas se maximiza debido a que alcanza la velocidad sónica en una constricción, limitando aumentos posteriores a pesar del aumento de la presión aguas arriba.

2. ¿Qué factores influyen en el flujo ahogado? El flujo ahogado depende de la presión aguas arriba, el área de flujo, la relación de calor específico del gas y la temperatura.

3. ¿Puede ocurrir el flujo ahogado en líquidos? No, el flujo ahogado es específico de los fluidos compresibles (gases), ya que está relacionado con la velocidad del sonido, que no es un factor limitante para los líquidos.