Mecanica de fluidos en Pyhton

 Fuente: Gemini

¡Claro! Python es una herramienta muy utilizada para la Mecánica de Fluidos, especialmente en análisis numéricos, simulaciones y visualización. Permite a los ingenieros y científicos abordar problemas complejos de manera eficiente.

Aquí tienes un resumen de las principales áreas y librerías que se utilizan:

---

💻 Librerías Clave para Mecánica de Fluidos (CFD)

El trabajo de Mecánica de Fluidos (MF) y Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) en Python se basa en el ecosistema científico:

• NumPy y SciPy: El núcleo para cualquier cálculo numérico. Se usan para resolver sistemas de ecuaciones, trabajar con matrices (como las que representan la malla de un fluido) y realizar operaciones de álgebra lineal que son cruciales para resolver las ecuaciones de Navier-Stokes.

• Matplotlib: Esencial para la visualización. Permite trazar campos de velocidad, contornos de presión y líneas de corriente, que son fundamentales para interpretar los resultados del CFD.

• SymPy: Útil para el cálculo simbólico, lo que ayuda a derivar y simplificar las ecuaciones gobernantes antes de pasar a la solución numérica.

• scikit-image: Aunque es para procesamiento de imágenes, a veces se usa para el análisis de flujos a partir de datos experimentales de velocimetría.

---

🔢 Áreas de Aplicación en Python

1. Ecuaciones Diferenciales Parciales (EDP)

La MF se rige por las ecuaciones de Navier-Stokes, que son EDP. Python se utiliza para resolverlas numéricamente:

• Método de Diferencias Finitas (FDM): Usando NumPy, puedes discretizar las ecuaciones (como la ecuación del calor o la ecuación de onda) para obtener soluciones aproximadas.

• Método de Elementos Finitos (FEM): Aunque es más complejo, librerías como FEniCS (o Firedrake) permiten implementar soluciones FEM robustas para problemas de flujo y transferencia de calor.

2. Dinámica de Fluidos Computacional (CFD)

Python es el lenguaje de scripting por excelencia para muchos paquetes CFD comerciales (como OpenFOAM, ANSYS Fluent, COMSOL).

• Pre-procesamiento: Usar Pandas para manipular los datos de entrada (condiciones de contorno, propiedades del fluido).

• Post-procesamiento: Usar Matplotlib o librerías más especializadas como ParaView (que tiene una API de Python) para visualizar los resultados de simulaciones complejas.

3. Modelado de Bajo Orden (LBM)

La Dinámica de Lattice-Boltzmann (LBM) es un método numérico alternativo al CFD tradicional, ideal para flujos complejos y a menudo implementado de forma eficiente en Python.

---

💡 Un Ejemplo Introductorio: El Canal 1D

Un punto de partida común para aprender MF en Python es resolver la ecuación de convección 1D, un paso inicial en la discretización de Navier-Stokes. Esto requiere únicamente NumPy para manejar los arrays y Matplotlib para trazar la solución a lo largo del tiempo.

En resumen, Python es indispensable tanto para desarrollar tus propios modelos simplificados de MF como para automatizar, analizar y visualizar los resultados generados por software CFD más avanzado.

¿Te gustaría que te muestre un ejemplo simple de código que resuelve la ecuación de convección en 1D usando NumPy?

Python Para ingenieros mecánicos, Mecanica de fluidos, llenado de tanques

 

Python Para ingenieros mecánicos

Resolviendo problemas básicos de ingeniería con Python

# source: https://www.youtube.com/watch?v=tnoAro7whYw

from IPython.display import HTML
# Youtube
HTML('<iframe width="560" height="315" 

src="https://www.youtube.com/embed/tnoAro7whYw?rel=0&controls=0&showinfo=0" 

frameborder="0" allowfullscreen></iframe>')

El problema

¿Se llenaría un tanque de radio = 5 m y la altura = 10 m si la afluencia de agua es de 15 m 3

/min dentro de dos horas?

Fórmulas básicas

El volumen del tanque: V = π r 2 h

El volumen del fluido acumulado en el tiempo V F = Q × T

dónde Q es una tasa de flujo volumétrico en unidades de (M 3

/min) y el tiempo se dará en minutos.

La prueba para el sobrecarga V < V F

?

>># definitions:
>>r = 5 # radius, (m)
>>h = 10 # height, (m)
>>Q = 15 # flow rate (m^3/min)
>>pi = 3.14159 # or use from math import pi

>>from math import pi
>>V_tank = pi * r**2 * h

>>t = 120 # time, (min)
>>V_in = Q * t

>>if V_in > V_tank:
    print("Tank overfilled by " + str(V_in - V_tank) + " m^3")
>>else:
    print("Safe")

>>Tank overfilled by 1014.6018366025517 m^3

>># let's plot the process
>># import a plotting package, matplotlib 
>>import matplotlib.pyplot as plt
>># import a numerical package numpy that allows to multiply a scalar by vector
>>import numpy as np

>>t = np.arange(0,120)

>>plt.figure(figsize=(8,6))
>>plt.plot(t,Q*t,'--')
>>plt.plot([0,120],[V_tank,V_tank])
>>plt.xlabel('$t$ (min)',fontsize=18)
>>plt.ylabel('$V$ (m$^3$/min)',fontsize=18);
>>plt.legend((r'$V_f$',r'$V_{\mathrm{tank}}$'),fontsize=16);

Fluids en Python: Herramienta para ingenieros quimicos, mecanicos y civiles

¡Bienvenido a la documentación de Fluids!

Fluids es un software de código abierto para ingenieros y técnicos que trabajan en el Campos de ingeniería química, mecánica o civil. Incluye módulos para tuberías, accesorios, bombas, tanques, flujo compresible, flujo de canal abierto, Propiedades atmosféricas, propiedades solares, distribuciones de tamaño de partícula, Flujo de dos fases, factores de fricción, válvulas de control, placas de orificio y Otros medidores de flujo, eyectores, válvulas de alivio y más.

Contenido del módulo:

• tutorial de fluidos
  • Importador
  • Filosofía de diseño
  • Números adimensionales
  • Misceláneas.
  • Factores de fricción
  • Horario de tubería
  • Medidores de alambre
  • Geometría del tanque
  • Geometría miscelánea
  • Propiedades atmosféricas
  • Dimensionamiento del compresor
  • Dimensionamiento de la tubería de gas
  • Dimensionamiento de la tubería de gas: ecuaciones empíricas
  • Arrastre y velocidad terminal
  • Drop de presión a través de camas empaquetadas
  • Caída de presión a través de la tubería
  • Dimensionamiento de la válvula de control: Introducción
  • Dimensionamiento de la válvula de control: flujo líquido
  • Dimensionamiento de la válvula de control: flujo de gas
  • Dimensionamiento del motor eléctrico
  • Distribuciones de tamaño de partícula
  • Recursos requeridos
• Referencia de API
  • Propiedades atmosféricas (fluidos. Atmosfera)
  • Flujo compresible y dimensionamiento del compresor (fluids.compressible)
  • Dimensionamiento y calificación de la válvula de control (fluids.control_valve)
  • Números adimensionales (fluidos. Core)
  • Velocidad de arrastre y terminal (fluidos.drag)
  • Caída de presión del filtro (fluidos. Filtros)
  • Accesorios caída de presión (fluidos. Fits)
  • Placas de orificio, boquillas de flujo, tubos venturi, cono y medidores de cuña (fluidos.flow_meter)
  • Factor de fricción y rugosidad de la tubería (fluidos. Fricción)
  • Diseño de intercambiador de tanque e calor (fluidos. Geometría)
  • Bomba de chorro (eyector/eductor) dimensionamiento y calificación (fluids.jet_pump)
  • Mezcla (fluidos.mixing)
  • Soporte para Numba (fluidos.numba)
  • Hidrología, vertederos y flujo abierto (fluidos. Open_flow)
  • Dropa de presión de la cama empaquetada (fluidos.packed_bed)
  • Dropa de presión de embalaje y desmisterio (fluids.packed_tower)
  • Distribuciones de tamaño de partícula (fluids.particle_size_distribution)
  • Horarios de tubería (fluidos. Piping)
  • Dimensionamiento de la bomba y el motor (fluidos. Pump)
  • Dimensionamiento de la válvula de seguridad/alivio (fluids.safety_valve)
  • Separadores de vapor líquido (fluidos. Separador)
  • Transmisión neumática (fluidos. SALTACIÓN)
  • Flujo de dos fases (fluids.two_phase)
  • Voidage de flujo de dos fases (fluids.two_phase_voidage)
  • Soporte para cantidades de pinta (fluidos. Unidades)
  • Soporte para matrices numpy (fluidos. Vectorizado)
• Problemas de mecánica de fluidos resueltos
  • 7.1 tubería lisa (plástico)
  • 7.2 L, L sobre D y K de KV para válvulas de tipo convencionales
  • 7.3 L, L sobre D, K y KV para válvulas de tipo convencionales
  • 7.4 Válvulas tipo venturi
  • 7.5 Válvulas de retención de elevación
  • 7.6 Válvula de bola de puerto reducida
  • 7.7 Flujo laminar en válvulas, accesorios y tubería - Sistema del ejemplo 7.6
  • 7.8 Flujo laminar en válvulas, accesorios y tubería - Aceite SAE a través de una válvula de tubería y globo
  • 7.9 Flujo laminar en válvulas, accesorios y tubería
  • 7.10 Sistemas de tuberías - Steam
  • 7.11 Bobinas de calefacción planas - Agua
  • 7.12 Tamaño del orificio para caída de presión y velocidad dados
  • 7.13 Flujo dado en unidades de inglés - Aceite
  • 7.14 Teorema de Bernoulli
  • 7.15 Se requiere energía para bombear
  • 7.16 líneas aéreas
  • 7.17 Dimensionamiento de la bomba para tuberías de aceite
  • 7.18 gas
  • 7.19 Agua
  • 7.20 vapor a la velocidad sonora
  • 7.21 gases a la velocidad sonora
  • 7.22 fluidos compresibles a la velocidad subsónica
  • 7.23 Flujo a través de medidores de orificio
  • 7.24 flujo laminar
  • 7.25 Conducto rectangular: aplicación de radio hidráulico a problemas de flujo
  • 7.26 tubería parcialmente llena de agua fluida
  • 7.27 Válvulas de control de tamaño para servicio líquido
  • 7.28 Verificación de condiciones de flujo ahogado en una válvula de control
  • 7.29 Cálculo de la tasa de flujo del orificio
  • 7.30 Cálculos de tamaño de boquilla
  • 7.31 Cálculos NPRD
  • 7.32 NPSH Cálculo disponible
  • 7.33 Reglas de afinidad de la bomba
  • 7.34 Potencia de bomba y costo operativo
  • 7.35 Resistencia hidráulica de una camiseta convergente
  • 7.36 Resistencia hidráulica de un aleta divergente
• Datos incluidos en los fluidos
  • Fricción
  • Tamaños de tamiz para distribuciones de tamaño de partícula
  • Horario de tubería
• Programas de muestra
  • Programa de muestra:
• Guía y hoja de ruta del desarrollador
  • Alcance y características futuras
  • Contribuyendo
  • Pruebas de ejecución
  • Cajas
  • Doctor
  • Tipo de sugerencias
  • Versiones de Python compatibles
  • Embalaje
  • Formato de código
  • Documentación
  • Cuadernos de muestra
  • Integración continua
  • Velocidad de carga
  • Uso de ram
  • Notas sobre la implementación de integración de pinta
  • Notas sobre pypy
  • Notas sobre Numba
  • Cosas a tener en cuenta mientras codifican
• Llamar a los fluidos/pitón de otros idiomas
  • Idiomas
  • Consideraciones comunes
  • Notas para mantenedores de paquetes
  • Contribuyendo

Instalación

Obtenga la última versión de fluidos de https://pypi.python.org/pypi/fluids/

Si tiene una instalación de Python con PIP, instálelo simple con:

$ PIP Instalar fluidos

Alternativamente, si está utilizando Conda como administración de sus paquetes, simplemente puede Instale fluidos en su entorno desde Conda-Forge con:

$ Conda instalación -c conda -force fluidos

Para obtener la versión GIT, ejecute:

$ git clone git: //github.com/calebbell/fluids.git

Último código fuente

La última versión de desarrollo de las fuentes de Fluids se puede obtener en

https://github.com/CalebBell/fluids

Informes de errores

Para informar errores, utilice el rastreador de errores de los fluidos en:

https://github.com/CalebBell/fluids/issues

Si tiene más preguntas sobre el uso de la biblioteca, siéntase libre Para contactar al autor de Caleb . Andrew . Bell @ Gmail . com .

Información de la licencia

Los fluidos tienen licencia MIT. Ver LICENSE.txt Para información completa sobre los términos y condiciones para el uso de este software y un Descargo de responsabilidad de todas las garantías.

Aunque no es requerido por la licencia de fluidos, si es conveniente para usted, Por favor, cite los fluidos si se usan en su trabajo. Por favor también considere contribuir Cualquier cambio que haga de nuevo, de modo que puedan incorporarse a la La biblioteca principal y todos nosotros nos beneficiaremos de ellos.

Información de cumplimiento

El autor testifica que este software no está sujeto al oído de los Estados Unidos. El país de origen de este software es Canadá. El autor también confirma confirmar que este software no está desarrollado por, contiene componentes desarrollados o recibe una influencia sustancial de las entidades prohibidas por la sección 889 de la NDAA 2019.

Citación

Para citar fluidos en las publicaciones usan:

Caleb Bell and Contributors (2016-2024). fluids: Fluid dynamics component of Chemical Engineering Design Library (ChEDL)
https://github.com/CalebBell/fluids.

Índices y tablas

• Índice

• Índice de módulos

• Página de búsqueda