Caudal volumétrico

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${\displaystyle {\dot {V}}}$Su unidad del SI es metros cúbicos por segundo (m³ ^/ s).

Esto contrasta con el caudal másico , que es el otro tipo principal de caudal de fluido. En la mayoría de los contextos, una mención de "caudal de fluido" probablemente se refiera al caudal volumétrico. En hidrometría , el caudal volumétrico se conoce como descarga .

El caudal volumétrico que atraviesa una unidad de área se denomina flujo volumétrico , según lo define la ley de Darcy y se representa con el símbolo q . A la inversa, la integración de un flujo volumétrico sobre un área determinada proporciona el caudal volumétrico.

La unidad del SI es metros cúbicos por segundo (m³ ^/ s). Otra unidad utilizada es centímetros cúbicos estándar por minuto (SCCM). En unidades del sistema anglosajón y unidades imperiales , el caudal volumétrico se suele expresar en pies cúbicos por segundo (ft³ ^/ s) o galones por minuto (ya sea en 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 , con 1 Sv igual a 1 millón de metros cúbicos por segundo (35 000 000 ft³ /s) ; ^{[ 1 ] [ 2 ]} es equivalente a la unidad derivada del SI hectómetro cúbico por segundo (símbolo: hm³ ^/ s o hm³ ^· s⁻¹ ⁾ . Nombrado en honor a Harald Sverdrup , 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

${\displaystyle Q={\dot {V}}=\lim \limits _{\Delta t\to 0}{\frac {\Delta V}{\Delta t}}={\frac {\mathrm {d} V}{\mathrm {d} t}},}$

es decir, el flujo de volumen de fluido V a través de una superficie por unidad de tiempo t .

Dado que se trata únicamente de la derivada temporal del volumen, una magnitud escalar, el caudal volumétrico también es una magnitud escalar. El cambio de volumen es la cantidad que fluye tras cruzar el límite durante un cierto intervalo de tiempo, y no simplemente la cantidad inicial de volumen en el límite menos la cantidad final, puesto que el cambio de volumen que fluye a través del área sería cero en caso de flujo estacionario.

La IUPAC ^{[ 3 ]} prefiere la notación${\displaystyle q_{v}}$^{[ 4 ]} y${\displaystyle q_{m}}$^{[ 5 ]} para flujo volumétrico y flujo másico respectivamente, para distinguir de la notación${\displaystyle Q}$^{[ 6 ]} para el calor.

El caudal volumétrico también puede definirse mediante

${\displaystyle Q=\mathbf {v} \cdot \mathbf {A} ,}$

dónde

v = velocidad del flujo ,

A = área vectorial de la sección transversal / superficie.

La ecuación anterior solo es válida para velocidades de flujo uniformes u homogéneas y secciones transversales planas. En general, incluyendo velocidades de flujo espacialmente variables o no homogéneas y superficies curvas, la ecuación se convierte en una integral de superficie :

${\displaystyle Q=\iint _ {A}\mathbf {v} \cdot \mathrm {d} \mathbf {A} .}$

Esta es la definición utilizada en la práctica. El área requerida para calcular el caudal volumétrico es real o imaginaria, plana o curva, ya sea como un área de sección transversal o una superficie. El área vectorial es una combinación de la magnitud del área a través de la cual pasa el volumen, A , y un vector unitario normal al área,${\displaystyle {\sombrero {\mathbf {n} }}}$La relación es${\displaystyle \mathbf {A} =A{\hat {\mathbf {n} }}}$.

Cuando se conoce el caudal másico y se puede suponer que la densidad es constante, esta es una manera fácil de obtener${\displaystyle Q}$:

${\displaystyle Q={\frac {\dot {m}}{\rho }},}$

dónde

ṁ = caudal másico (en kg/s),

ρ = densidad (en kg/m³ ⁾ .

En los motores de combustión interna, la integral del área del tiempo se considera en el rango de apertura de la válvula. La integral de elevación del tiempo viene dada por

${\displaystyle \int L\,\mathrm {d} \theta ={\frac {RT}{2\pi }}(\cos \theta _{2}-\cos \theta _{1})+{\frac {rT}{2\pi }}(\theta _{2}-\theta _{1}),}$

donde T es el tiempo por revolución, R es la distancia desde el eje 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 tenerse en cuenta por el ancho (circunferencia) de la garganta de la válvula. La respuesta suele estar relacionada con el volumen de barrido del cilindro.

• En fisiología cardíaca : el gasto cardíaco
• En hidrología : descarga
  • Lista de ríos por caudal
  • Lista de cascadas por caudal
  • Vertedero § Medición de flujo
• En los sistemas de recolección de polvo : la relación aire-tela

• Velocidad global
• Medición de flujo
• Caudalímetro
• Caudal másico
• Placa de orificio
• Ley de Poiseuille
• flujo de Stokes