Ecuaciones de Euler (fluidos)

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Esta página trata sobre el flujo de fluidos compresibles. Otras páginas relacionadas con los trabajos de Euler son fórmula de Euler e Identidad de Euler.

En dinámica de fluidos, las ecuaciones de Euler son las que describen el movimiento de un fluido compresible no viscoso. Su expresión corresponde a las ecuaciones de Navier-Stokes cuando la viscosidad es cero (μ = 0), aunque habitualmente se expresan en la forma mostrada en este artículo dado que de este modo se enfatiza el hecho de que representan directamente la conservación de masa, momento y energía. Estas ecuaciones se llaman así en honor de Leonhard Euler quien las dedujo directamente de las leyes de Newton. Este artículo contempla las connotaciones aplicables a la mecánica clásica; para fluidos compresibles con velocidades próximas a la velocidad de la luz se debe consultar el artículo Ecuaciones relativistas de Euler.

[editar] Expresión matemática

Aunque formalmente las ecuaciones de Euler se reducen a flujo irrotacional en el límite de desaparición del número de Mach (es decir para números de Mach muy pequeños), esto no es útil en la práctica, debido esencialmente a que la aproximación de incompresibilidad no resta exactitud a los cálculos. La expresión diferencial de estas ecuaciones es la siguiente:

${\partial\rho\over\partial t}+ \nabla\cdot(\rho\bold u)=0$

${\partial\rho{\bold u}\over\partial t}+ \nabla\cdot(\rho \bold u)\bold u+\nabla p=0$

${\partial E\over\partial t}+ \nabla\cdot(\bold u(E+p))=0$

donde $E = ρ e + ρ(u 2 + v 2 + w 2) / 2$ es la energía total por unidad de volumen ( $e$ es la energía interna por unidad de masa para el fluido), $p$ es la presión, $u$ la velocidad del fluido y $ρ$ la densidad del fluido. La segunda ecuación incluye la divergencia de un tensor diádico y puede quedar más clara de acuerdo a la siguiente notación:

${\partial\rho u_j\over\partial t}+ {\partial\rho u_i u_j\over\partial x_i}+ {\partial p\over\partial x_j} =0$

Nótese que las ecuaciones anteriores están expresadas en forma de conservación o equilibrio, dado que con esta forma se enfatiza su origen físico (y es además en gran medida la más conveniente para la simulación computacional de la dinámica de fluidos). El componente del momento de las ecuaciones de Euler se expresa del siguiente modo:

$\rho\left( \frac{\partial}{\partial t}+{\bold u}\cdot\nabla \right){\bold u}+\nabla p=0$

aunque esta forma oculta la conexión directa existente entre las ecuaciones de Euler y la segunda ley de Newton (en particular, no es claramente intuitivo por qué esta ecuación es correcta y $\left(\partial/{\partial t}+{\bold u}\cdot\nabla\right)(\rho{\bold u})+\nabla p=0$ no lo es). En formato vectorial las ecuaciones de Euler quedan expresadas del siguiente modo:

$\frac{\partial U}{\partial t}+ \frac{\partial F}{\partial x}+ \frac{\partial G}{\partial y}+ \frac{\partial H}{\partial z}=0$

donde

$U=\begin{pmatrix}\rho \\ \rho u \\ \rho v \\ \rho w \\E\end{pmatrix}\qquad F=\begin{pmatrix}\rho u\\p+\rho u^2\\ \rho uv \\ \rho uw\\u(E+p)\end{pmatrix}\qquad G=\begin{pmatrix}\rho v\\ \rho uv \\p+\rho v^2\\ \rho vw \\v(E+p)\end{pmatrix}\qquad H=\begin{pmatrix}\rho w\\ \rho uw \\ \rho vw \\p+\rho w^2\\w(E+p)\end{pmatrix}.\qquad$

Esta forma deja más claro que $F, G, H$ son caudales.

Las ecuaciones anteriores representan por tanto la conservación de la masa, los tres componentes del momento y la energía. Hay por tanto cinco ecuaciones y seis incógnitas $(ρ, u, v, w, E, p)$ . Para cerrar el sistema se necesita una ecuación de estado; la ecuación de estado más comúnmente utilizada es la ley de los gases ideales ( p.e. $p = ρ(γ - 1) e$ ).

Nótese la desigual forma para la ecuación de la energía; ver la ecuación de Rankine-Hugoniot. Los términos adicionales que contienen la expresión p (presión) pueden ser interpretados como el trabajo mecánico realizado por el fluido en un elemento de fluido por los elementos fluidos próximos que se mueven alrededor. Estos términos suman cero en un fluido incompresible.

La más conocida ecuación de Bernoulli puede ser obtenida integrando la ecuación de Euler a través de una línea de corriente (líneas a las que la velocidad del fluido es tangente en cada punto) asumiendo que la densidad es constante y con una ecuación de estado adecuada.