Boletín de problemas 3

Fecha de entrega: viernes 1 de marzo de 2002

Problema 1: Calentamiento de fluidos y tuberías [10%]

Se trata de una pregunta corta que sirve de preparación para el problema principal que viene a continuación. Escriba una clase Tubería y una clase Fluido siguiendo las instruciones siguientes. Escriba también un método main() en una clase Test para:

1. Crear un array de 3 Fluidos (cada uno con un nombre y una densidad). Escoja cualquier valor.
2. Crear un Vector de 3 Tuberías (cada una con un nombre, longitud y diámetro). Escoja cualquier valor.
3. Establezca la misma aspereza para todas las tuberías. (Variable static).
4. El método principal termina mostrando los datos para cada fluido y tubería, así como las variables static.

Las clases Tubería y Fluido sólo necesitan un constructor cada una, los campos precedentes y un método para imprimir los datos. 

En este problema se ven los arrays, los vectores y los métodos y variables static, que son los conceptos clave del problema siguiente. No olvide importar java.util.* para la clase Vector.

Problema 2: flujo del fluido en las tuberías [90%]

Descripción del problema

Tiene que proyectar una red de tuberías a través de la cual pasen líquidos. A continuación, mostramos el dibujo de la red. Se supone que las tuberías son bastante rectas, de modo que los cambios de presión provienen únicamente de cambios en la elevación y por fricción. En el dibujo se han exagerado los ángulos.

Cada tubería tiene un diámetro D, una longitud L y un cambio en la elevación z. Todas las tuberías tienen la misma aspereza h. El programa calculará las caídas en la presión y la medida del caudal en los puntos B, C, D, E y F, dada una magnitud del flujo de entrada en el punto A. Las características de cada sección son: 

Las entradas iniciales de muestra en el punto A son:

• Presión en A: 100.000 Pa                                (Pa= pascal, o Newton/m²)
• Velocidad del caudal en la tubería (v_A): 1 m/s

Aspereza de la tubería h= 0,00001 m en todas la tuberías 

Las características de los 4 fluidos son:

La ecuación para calcular el cambio de presión en una tubería es: 

p_B= p_A – r g (z +  (f L v²)/ (2Dg)) 

El factor fricción f depende del número Reynolds R, del flujo y de la aspereza de la tubería.  El número Reynolds es: 

R= rvD/q 

Para el régimen laminar (R< 2000, en tuberías), 

f= 64/R 

Para el régimen turbulento (R >2000 en tuberías; ignoramos la 'transición'), hay muchos modelos de f. El más común, la fórmula Colebrook, requiere una solución numérica de una ecuación, por lo general, mediante el método Newton, que veremos más tarde en el presente curso 1.00. En esta tarea, utilizaremos la fórmula de Haaland, que calcula f directamente: 

f= (1.81 log₁₀ (6.9/R + (h/(3.7D))^1.11))^-2  

Java™ no tiene un método log10; observe que log₁₀ x = (log_e x) (log₁₀ e)= (ln x) (0.4343). 

En su red, las áreas de las secciones transversales de las tuberías que entran y salen de cada unión son las mismas, lo que facilita la conservación del caudal. Así, por ejemplo, en la unión B, la presión del caudal de salida y la velocidad de AB es igual a las presiones del caudal de entrada y a las velocidades de BC y BF. 

Programa

Debe crear un programa que ejecute el análisis de un sistema de tuberías utilizando el modelo presentado anteriormente. Aquí le ofrecemos algunos consejos, pero debe usted elaborar su propio diseño. Ciertas características serán obligatorias; más adelante las mencionamos.

Lo principal en este problema son las tuberías y los fluidos, por tanto, constituyen las clases lógicas que vamos a definir. Necesitará también una clase que contenga el método main() para lanzar y gestionar los objetos y métodos que escriba. 

La clase tubería (o la más cercana, si ha creado su propio diseño), debe contener dos métodos static que son útiles en líneas generales y que pueden llamarse desde otros métodos u objetos para ayudar a realizar los cálculos en otros programas sin tener que instar un objeto tubería de su diseño. Estos dos métodos sirven para calcular la fricción f y el número Reynolds R en una tubería.  También conviene que la clase tubería tenga campos static apropiados para almacenar los valores de varios parámetros que son iguales para todas las tuberías (o incluso en términos más generales en el caso de la gravedad).

Calcule el número Reynolds, la fricción, el cambio de presión, la presión de salida y el volumen del caudal en cada tubería. El volumen del caudal es simplemente el área de la sección transversal de la tubería multiplicada por la velocidad. Cada tubería debería mostrar sus propios datos (incluido el nombre), y tener un campo que indicase cómo se conecta con las tuberías adyacentes, en el modo necesario para realizar los cálculos. Seguramente querrá mantener una referencia a las tuberías adyacentes en cado objeto tubería; reflexione sobre si es mejor almacenar las tuberías ascendentes, las descendentes o todas las adyacentes. (La mejor solución es muy sencilla). Imagine que la red de tuberías es siempre un árbol ramificado, tal y como se muestra en la figura.

La clase fluido puede ser bastante sencilla, basta con que contenga los parámetros de cada fluido.  Está claro que existe una interacción entre los fluidos y las tuberías, ya que los primeros fluyen en las últimas. Tal vez sea más natural tener los métodos de cálculo asociados a las tuberías y no a los fluidos, pero esta decisión es suya. Tenga en cuenta que el número Reynolds y la fricción son conceptos generales en mecánica de fluídos, pero existen funciones muy diferentes para calcularlos ya que el caudal puede viajar por tuberías o por canales abiertos o por láminas, etc., así la mayoría de ingenieros asociaría estos métodos a las tuberías.

El métod main() debe hacer lo siguiente:     

• Definir los 4 fluidos y sus propiedades. Poner los fluidos en un array.

• Definir las 5 tuberías y sus propiedades. Colocar las tuberías en un vector. Piense en cómo debería ordenarlos. Normalmente, en aras de la coherencia, trataría las tuberías y los fluidos del mismo modo, pero queremos que trabaje con arrays y vectores en esta tarea. Del mismo modo, normalmente usted leería esos parámetros desde un archivo, pero como todavía no hemos visto archivos, "codifique por hardware" los parámetros del fluido y la tubería en su programa. No puede pedir al usuario que introduzca cada vez todos estos datos.

• Preguntar al usuario, mediante JOptionPanes:

  • El tipo de fluido para este análisis

  • La presión inicial en A

  • La velocidad inical en A

  • La aspereza de las tuberías, de todas ellas

• Repasar el sistema de tuberías para calcular las características de cada una

• Mostrar el tipo de fluido y, a continuación, los detalles de cada tubería

Fase de prueba 

Pruebe su programa con los regímenes laminar y turbulento, en los 4 fluidos. Para el segmento AB, los resultados correctos se muestran más abajo (con menos dígitos de los que Java™ le dará) para una presión inicial de 100.000 N/m², una velocidad inicial de 1 m/sec, y una aspereza de 0. 

Fluid type: water

Pipe AB

Reynolds number: 500000.0Friction: 0.0129

Pressure at inlet: 100000.0

Pressure at outlet: 100333.9

Pressure change: 333.9

Volume flow rate: 0.196

Entrega del trabajo

Requisitos

• Problema 1: solamente por correo electrónico. No es necesario entregarlo en papel.
• Problemas 2 y 3: copia en papel y copia electrónica de TODOS los códigos fuente (todos los archivos con la extensión .java).
• Incluya en TODOS los archivos que presente su nombre, el nombre de usuario, la sección, el nombre del profesor ayudante, el número de trabajo y una relación de las personas con las que haya comentado el boletín de problemas. 
• NO entregue copias electrónicas o en papel de código compilado (archivos .class).

Sanciones

• Por pérdida de copia en papel: -10% de la puntuación del boletín de problemas.
• Por pérdida de copia electrónica: -30% de la puntuación del boletín de problemas.
• Por entrega fuera del plazo: -20% de la puntuación del boletín de problemas si es un día de retraso. Por más de un día de retraso = NO SE PUNTUARÁ