Taller Flujo Compresible

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PROBLEMA 1. FLUJO COMPRESIBLE 
En un sistema convergente-divergente se desarrolla un flujo isentrópico a lo largo de todo el 
recorrido. En un determinado punto de la sección convergente, denominada sección de 
entrada, se poseen los siguientes datos: Área (A1) = 500 cm2; Velocidad (V1) = 180 m/s; 
Presión (P1) = 5 bar; Temperatura (T1) = 470 K, y en la sección de salida el área de la sección 
transversal (A2) corresponde a 360 cm2. En base a los datos dados determinar: 
 La densidad del fluido, el flujo másico y el número de Mach en la sección de entrada. 
 La presión y temperatura máxima del sistema 
 El número de Mach a la salida para un sistema operando en condiciones críticas 
 El número de Mach en la sección de salida para un área de garganta de 339.43 cm2 
 El número de Mach en la sección de salida, si el área de la garganta es el 105% de la 
crítica. 
 
RESPUESTAS 
Densidad entrada ___________________________________ 
Flujo másico entrada ___________________________________ 
Número Mach entrada ___________________________________ 
Presión máxima ___________________________________ 
Temperatura Máxima ___________________________________ 
Número Mach salida (sistema en condiciones críticas) ______________________________ 
Número Mach salida (área garganta 339.43 cm2) _______________________________ 
Número Mach salida (área garganta 105% de la crítica) ______________________________ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PROBLEMA 2. FLUJO COMPRESIBLE 
Se desarrolla un flujo isentrópico a través 
de una turbina entre las secciones de 
entrada 1 y salida 2. En la sección 1 la 
entrada de aire posee las siguientes 
condiciones T1=2350 ⁰F, P1=90.0 psia y 
M1=0.4. Las condiciones a la salida de la 
turbina son T2=1200 ⁰F, M2=0.8, y 
P2=3.00 psia. Calcular las condiciones 
locales de estancamiento en la entrada de 
la turbina (1) y en la salida de la turbina (2). 
Además, calcular de entropía que se 
desarrolla a través de la turbina entre 
ambos puntos. 
Datos: R= 53.3 pie lbf/lbm, k=1.4, cp= 0.24 
Btu/lbm R, cv= 0.171 Btu/lbm R. 
Expresar los resultados de temperatura en 
“R”, presión en “psia”, densidad en 
“lbm/pie3 
 
 
RESPUESTAS 
Presión Estancamiento (sección 1) ___________________________________ 
Temperatura Estancamiento (sección 1) ___________________________________ 
Presión Estancamiento (sección 2) ___________________________________ 
Temperatura Estancamiento (sección 2) ___________________________________ 
Entropía entre las secciones 1 y 2 ___________________________________ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PROBLEMA 3. FLUJO COMPRESIBLE 
Se realiza un diseño de una tobera 
convergente-divergente con la finalidad de 
expandir aire a la salida en condiciones de 
Ms=3.0 en un área de salida (As) de 250 
mm2. El sistema convergente-divergente 
está conectada en la parte lateral de un 
tanque y descarga a la atmósfera en 
condiciones estándar. Dentro del tanque el 
aire está presurizado a 4.5 MPa 
(manométrica) a una temperatura de 750 
K. Si suponemos que el flujo dentro de la 
tobera es isentrópico; calcular las 
condiciones de presión a la salida de la 
tobera y el flujo másico circulante. 
 
RESPUESTAS 
Presión a la salida ___________________________________ 
Flujo másico circulante ___________________________________ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PROBLEMA 4. FLUJO COMPRESIBLE 
Se desarrolla un flujo de aire a través de un ducto de área constante sin fricción entre las 
secciones 1 y 2. En la sección 1 la presión es de 60 psia, la temperatura es de 600 R y la 
velocidad es de 500 pie/s. Como resultado de la transferencia de calor, las condiciones del aire 
en la sección 2 corresponden a una presión de 40 psia y una temperatura de 800 R. Calcular la 
transferencia de calor por unidad de masa entre ambas secciones, así como la presión de 
estancamiento en la sección 2. Datos: R= 53.3 pie lbf/lbm, k=1.4, cp= 0.24 Btu/lbm R. 
Expresar los resultados de transferencia de calor “q” en “Btu/lbm” y presión en “psia”. 
 
RESPUESTAS 
dQ/dm ___________________________________ 
Presión de estancamiento en 2 ___________________________________ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PROBLEMA 5. FLUJO COMPRESIBLE 
A lo largo de un ducto de sección transversal constante rectangular (lados 6 pies y 4 pies) 
aislado térmicamente que opera en condición estrangulada circula aire. La longitud de la 
tubería entre las secciones 1 y 2 es de 20 pies y su superficie posee una rugosidad relativa de 
0.0001. En la sección 1 la presión absoluta es de 18 psi y la presión de salida en la sección 2 
es de 14.7 psia. Si la presión ambiente es de 14.7 psia, calcular el número de Mach y las 
condiciones de presión en la sección 1 (sección de entrada). Datos: R= 53.3 pie lbf/lbm y k=1.4. 
Expresar los resultados de presión en “psia. 
 
 
 
RESPUESTAS 
Número Mach entrada (sección 1) ___________________________________ 
Presión entrada (sección 1) ___________________________________ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PROBLEMA 6. FLUJO COMPRESIBLE 
Por un ducto aislado térmicamente de sección constante con fricción que opera en condiciones 
de estrangulamiento circula aire en condición adiabática. En la sección 1 del ducto las 
condiciones de presión de estancamiento (P01) y temperatura de estancamiento (T01) son de 
100 psia y 500 R respectivamente. Si la condición de Mach en la entrada (sección 1) es de 0.7 
y el área de la sección transversal es de 1 pie2, calcular la presión a la salida, presión de 
estancamiento a la salida y temperatura a la salida. Además determinar la fuerza resultante 
que el flujo ejerce sobre la tubería. Datos: R= 53.3 pie lbf/lbm y k=1.4. 
Expresar los resultados de presión en “psia”, la temperatura en “R”, densidad “lbm/pie3 y la 
fuerza resultante en “lbf”. 
 
RESPUESTAS 
Presión a la salida (sección 2) ___________________________________ 
Presión de estancamiento a la salida (sección 2) _________________________________ 
Temperatura a la salida (sección 2) ___________________________________ 
Fuerza resultante ___________________________________ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PROBLEMA 7. FLUJO COMPRESIBLE 
Por un ducto de sección constante sin fricción fluye aire. En la sección de entrada del ducto las 
condiciones son M1=0.3, T1=50 ⁰C y 1=2.16 kg/m3. Por efecto del calentamiento, el número de 
Mach a la salida (sección 2) es de 0.60 y la densidad a la salida es de 0.721 kg/m3. En base a 
las condiciones dadas, determinar la adición de calor por unidad de masa (q) y el cambio de 
entropía en el proceso. 
Datos: R= 287 N m/ Kg K, cp= 1.005 kJ/Kg K y k=1.4. 
Expresar los resultados de presión en “kPa”, la temperatura en “K”, q en “kJ/Kg) y S en 
“kJ/Kg K” 
 
RESPUESTAS 
dQ/dm ___________________________________ 
Cambio de entropía ___________________________________ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PROBLEMA 8. FLUJO COMPRESIBLE 
A través de un ducto de área constante aislado térmicamente circula una mezcla de aire y 
combustible. En la sección 1 la mezcla posee una velocidad de 30 m/s, una presión absoluta 
de 124100 Pa y una temperatura de 40 ⁰C. Si la transferencia de calor por unidad de masa es 
de 465180 J/Kg, ¿Cuál es el número de Mach, la temperatura y la velocidad de la mezcla a la 
salida (sección 2). Suponer que el calor específico y la constante del gas R de la mezcla son 
iguales a las del aire. Suponer cp =1005 J/kg.K, R= 287 N m/ Kg K y k=1.4. 
 
RESPUESTAS 
Número Mach (sección 2) ___________________________________ 
Temperatura en K (sección 2) ___________________________________ 
Velocidad en m/s (sección 2) ______________________________