Vaciado de un depósito abierto en forma de tronco de cono

Sea un depósito en forma de tronco de cono invertido, de altura h0 y de radios r0 y r2. Éste es el radio del orificio de salida del líquido contendido en el recipiente

Cuando la altura del líquido es h, la velocidad de la superficie libre es v1 y la velocidad del fluido en el orificio de salida es v2

Estado estacionario

Aplicamos la ecuación de Bernoulli en el estado estacionario a la línea de corriente que une los puntos (1) y (2) situados en la superficie libre del fluido y en el centro del orificio de salida.

p 1 +ρg y 1 + 1 2 ρ v 1 2 = p 2 +ρg y 2 + 1 2 ρ v 2 2

Ahora bien, la presión en los puntos 1 y 2 es la atmosférica, p1=p2=patm, y2=0, y1=h. La ecuación de Bernoulli es

2gh+ v 1 2 = v 2 2

La ecuación de continuidad

ρπ r 1 2 v 1 =ρπ r 2 2 v 2

Eliminamos v2 entre estas dos ecuaciones

2gh+ v 1 2 = ( r 1 2 v 1 r 2 2 ) 2

La geometría del tronco de cono nos permite establecer una relación entre los radios

tanθ= r 2 d = r d+y = r 1 d+h = r 0 d+ h 0 d= r 2 r 0 − r 2 h 0 r 1 = r 2 ( 1+ h d )= r 2 + r 0 − r 2 h 0 h= r 2 +kh r= r 2 ( 1+ y d )= r 2 +ky

Por otra parte,

v 1 = dh dt

De este modo, llegamos a una ecuación diferencial es h

2gh+ ( dh dt ) 2 = ( r 2 +kh r 2 ) 4 ( dh dt ) 2 { ( r 2 +kh r 2 ) 4 −1 } ( dh dt ) 2 −2gh=0

Con la condición inicial, en el instante t=0, la altura del fluido es h0

Es conveniete expresar la ecuación diferencial en términos de las magnitudes adimensionales H y T

H= kh r 2 , T= gk r 2 t

El resultado es

{ ( r 2 +k r 2 H k r 2 ) 4 −1 } ( r 2 k ) 2 r 2 gk ( dH dT ) 2 −2g r 2 H k =0 ( ( 1+H ) 4 −1 ) g r 2 k ( dH dT ) 2 −2g r 2 H k =0 ( H 3 2 +2 H 2 +3H+2 ) ( dH dT ) 2 −1=0

En el instante T=0

H 0 = k h 0 r 2 = r 0 − r 2 h 0 h 0 r 2 = r 0 r 2 −1

Aproximación de Torricelli

Cuando la velocidad de la superficie libre del fluido v1≈0. La ecuación de Bernoulli se expresa

2gh≈ v 2 2 v 2 =− 2gh r 1 2 r 2 2 v 1 + 2gh =0 r 1 2 r 2 2 dh dt + 2gh =0 ( r 2 +kh r 2 ) 2 dh dt + 2gh =0

Expresamos la ecuación diferencial en términos de las magnitudes adimensionales H y T

( r 2 +k r 2 H k r 2 ) 2 r 2 k r 2 gk dH dT + 2g r 2 H k =0 ( 1+H ) 2 dH dT + 2H =0

Integrando

1 2 ∫ H 0 H ( 1 H +2 H + H 3/2 ) dH=− ∫ 0 T dT T=− 1 2 ( 2 H + 4 3 H 3/2 + 2 5 H 5/2 ) | H 0 H T= 2 H 0 ( 1+ 2 3 H 0 + 1 5 H 0 2 )− 2H ( 1+ 2 3 H+ 1 5 H 2 )

El depósito se vacía H=0 en el instante Tf

T f = 2 H 0 ( 1+ 2 3 H 0 + 1 5 H 0 2 )

Estado no estacionario

Aplicamos la ecuación de Bernoulli en el estado no estacionario a la línea de corriente que une los puntos (1) y (2) situados en la superficie libre del fluido y en el centro del orificio de salida.

( p 1 +ρg y 1 + 1 2 ρ v 1 2 )−( p 2 +ρg y 2 + 1 2 ρ v 2 2 )= dQ dt ∫ 1 2 ds A(s)

La ecuación de continuidad es

Q= dm dt =ρπ r 2 v=ρπ r 1 2 v 1 =ρπ r 2 2 v 2

Ahora bien, la presión en los puntos 1 y 2 es la atmosférica, p1=p2=patm, y2=0, y1=h. La ecuación de Bernoulli es

gh+ 1 2 v 1 2 − 1 2 v 2 2 = d( r 1 2 v 1 ) dt ∫ 1 2 dy r 2

Eliminando v2

gh+ 1 2 v 1 2 − 1 2 ( r 1 2 v 1 r 2 2 ) 2 = d( r 1 2 v 1 ) dt ∫ h 0 dy r 2

Teniendo en cuenta la relación entre los radios y que

v 1 = dh dt d r 1 dt =k dh dt

Obtenemos una ecuación diferencial en h

gh+ 1 2 v 1 2 − 1 2 ( r 1 2 v 1 r 2 2 ) 2 =( 2 r 1 v 1 d r 1 dt + r 1 2 d v 1 dt ) ∫ h 0 dy ( r 2 +ky ) 2 gh+ 1 2 ( dh dt ) 2 − 1 2 ( r 2 +kh r 2 ) 4 ( dh dt ) 2 =( 2( r 2 +kh ) dh dt k dh dt + ( r 2 +kh ) 2 d 2 h d t 2 ) 1 k ( 1 r 2 +kh − 1 r 2 ) gh+ 1 2 ( dh dt ) 2 − 1 2 ( r 2 +kh r 2 ) 4 ( dh dt ) 2 =−( 2k ( dh dt ) 2 +( r 2 +kh ) d 2 h d t 2 ) h r 2

La integral del tipo ∫ du u 2 =− 1 u , es inmediata

Las condiciones iniciales son, en el instante t=0, h=h0 (recipiente lleno), dh/dt=0

Es conveniente expresar la ecuación diferencial en términos de las magnitudes adimensionales H y T

r 2 H k r 2 ( r 2 +k r 2 H k ) r 2 k r 2 gk d 2 H d T 2 +( 1 2 − 1 2 ( r 2 +k r 2 H k r 2 ) 4 +2k r 2 H k r 2 ) ( r 2 k ) 2 r 2 gk ( dH dt ) 2 +g r 2 H k =0 H k r 2 ( 1+H )g d 2 H d T 2 +( 1 2 − 1 2 ( 1+H ) 4 +2H )g r 2 k ( dH dT ) 2 +g r 2 H k =0 H( 1+H ) d 2 H d T 2 +( 1 2 − 1 2 ( 1+H ) 4 +2H ) ( dH dT ) 2 +H=0 ( 1+H ) d 2 H d T 2 −( H 3 2 +2 H 2 +3H ) ( dH dT ) 2 +1=0

Se resuelve esta ecuación diferencial con las condiciones iniciales, en el instante T=0, H=H0, dH/dT=0

Las velocidades adimensionales V1 en la superficie libre y del fluido V2 en el orificio de salida son

v 1 = dh dt = r 2 k r 2 gk dH dT = g r 2 k dH dT v 2 = ( r 1 r 2 ) 2 v 1 = ( r 2 +kh r 2 ) 2 v 1 = ( r 2 +k r 2 H k r 2 ) 2 v 1 = ( 1+H ) 2 g r 2 k dH dT { V 1 = dH dT V 2 = ( 1+H ) 2 dH dT

Resultados

Representamos la altura H del fluido en función del tiempo T, sabiendo que en el instante T=0, H=H0 y dH/dT=0. Para ello, resolvemos las ecuaciones diferenciales

Ejemplo, H0=4

function funnel
    H0=4;    
    f=@(t,x) -1/sqrt(x^3/2+2*x^2+3*x+2); 
    opts=odeset('events',@stop_fluido);
    [t,x]=ode45(f,[0,100],H0, opts); 
    Tf=sqrt(2*H0)*(1+2*H0/3+H0^2/5); %tiempo de vaciado aproximado
    disp(Tf)
    hold on
    plot(t,x)
    g=@(t,x) [x(2); -1/(1+x(1))+(x(1)^3/2+2*x(1)^2+3*x(1))*x(2)^2/(1+x(1))];
    [t,x]=ode45(g,[0,100],[H0,0], opts); 
    plot(t,x(:,1))
    hold off
    grid on
    legend('aproximado','exacto','Location','best')
    xlabel('T')
    ylabel('H');
    title('Descarga')

    function [value,isterminal,direction]=stop_fluido(~,x)
        value=x(1);
        isterminal=1; %1 detiene la integración cuando la altura H se hace cero   
        direction=-1; % 1 crece, -1 decrece, 0 no importa
    end
end

Tiempo que tarda en vaciarse el depósito (aproximado)

   19.4219

Cambiamos H0=1, aprecimos que la solución exacta difiere de la aproximada

   2.6399

Representamos las velocidades adimensionales V1 y V2 del fluido en función del tiempo T.

Otras geometrías

El área de la sección del recipiente viene descrita por la función A(y)

El área del orificio de salida es A2=A(0). La sección del recipiente a una altura h es A1=A(h)

Aplicamos la ecuación de Bernoulli en el estado no estacionario a la línea de corriente que une los puntos (1) y (2) situados en la superficie libre del fluido y en el centro del orificio de salida.

( p 1 +ρg y 1 + 1 2 ρ v 1 2 )−( p 2 +ρg y 2 + 1 2 ρ v 2 2 )= dQ dt ∫ 1 2 ds A(s)

La ecuación de continuidad es

Q= dm dt =ρ A 1 v 1 =ρ A 2 v 2

Ahora bien, la presión en los puntos 1 y 2 es la atmosférica, p1=p2=patm, y2=0, y1=h. La ecuación de Bernoulli es

gh+ 1 2 v 1 2 = 1 2 v 2 2 + d( A 1 v 1 ) dt ∫ h 0 dy A(y) A 1 =A(h),  A 2 =A(0),  v 1 = dh dt

El resultado es

d( A(h) v 1 ) dt = dA(h) dt ( dh dt )+A(h)( d 2 h d t 2 )= dA(h) dh dh dt ( dh dt )+A(h)( d 2 h d t 2 )= dA(h) dh ( dh dt ) 2 +A(h) d 2 h d t 2 gh+ 1 2 ( dh dt ) 2 = 1 2 ( A(h) A(0) ) 2 ( dh dt ) 2 −( dA(h) dh ( dh dt ) 2 +A(h) d 2 h d t 2 ) ∫ 0 h dy A(y) gh+ 1 2 ( 1− ( A(h) A(0) ) 2 ) ( dh dt ) 2 +( dA(h) dh ( dh dt ) 2 +A(h) d 2 h d t 2 ) ∫ 0 h dy A(y) =0

Se resuelve la ecuación diferencial, con las condiciones iniciales t=0, h=h0, dh/dt=0

Ejemplo 1.

La sección del recipiente viene descrita por la función cuadrática

A(y)= A 2 ( 1+k y h 0 ) 2

Que corresponde a un tronco de cono, descrito en la sección anterior. A(0)=A2. Resolvemos la inetegral

∫ 0 h dy A(y) = 1 A 2 ∫ 0 h dy ( 1+k y h 0 ) 2 =− 1 A 2 ( − h 0 k )( 1 1+k h h 0 −1 )= 1 A 2 h 1+k h h 0

La ecuación diferencial es

gh+ 1 2 ( 1− ( A 2 ( 1+k h h 0 ) 2 A 2 ) 2 ) ( dh dt ) 2 +( A 2 2 k h 0 ( 1+k h h 0 ) ( dh dt ) 2 + A 2 ( 1+k h h 0 ) 2 d 2 h d t 2 )( 1 A 2 h 1+k h h 0 )=0 gh+ 1 2 ( 1− ( 1+k h h 0 ) 4 ) ( dh dt ) 2 +( 2 k h 0 ( dh dt ) 2 +( 1+k h h 0 ) d 2 h d t 2 )h=0 gh− 1 2 ( 6 k 2 h 2 h 0 2 + k 4 h 4 h 0 4 +4k h h 0 +4 k 3 h 3 h 0 3 −4k h h 0 ) ( dh dt ) 2 +( 1+k h h 0 )h d 2 h d t 2 =0 d 2 h d t 2 − k 2 h 0 2 h( 3+ 1 2 k 2 h 2 h 0 2 +2k h h 0 ) 1+k h h 0 ( dh dt ) 2 + g 1+k h h 0 =0

Es conveniente expresar la ecuación diferencial en términos de las magnitudes adimensionales H y T

H= h h 0 , T= g h 0 t d 2 H d T 2 − k 2 H( 3+ 1 2 k 2 H 2 +2kH ) 1+kH ( dH dT ) 2 + 1 1+kH =0

Ejemplo 2.

La sección del recipiente viene descrita por la función exponencial

A(y)= A 2 exp( α y h 0 )

Resolvemos la integral

∫ 0 h dy A(y) = 1 A 2 ∫ 0 h dy exp( α y h 0 ) =− 1 A 2 h 0 α ( exp( −α h h 0 )−1 )= 1 A 2 h 0 α ( 1−exp( −α h h 0 ) )

La ecuación diferencial es

gh+ 1 2 ( 1− ( A 2 exp( α h h 0 ) A 2 ) 2 ) ( dh dt ) 2 +( A 2 α h 0 exp( α h h 0 ) ( dh dt ) 2 + A 2 exp( α h h 0 ) d 2 h d t 2 )( 1 A 2 h 0 α ( 1−exp( −α h h 0 ) ) )=0 gh+ 1 2 ( 1−exp( 2α h h 0 ) ) ( dh dt ) 2 +( exp( α h h 0 ) ( dh dt ) 2 + h 0 α exp( α h h 0 ) d 2 h d t 2 − ( dh dt ) 2 − h 0 α d 2 h d t 2 )=0 gh+ 1 2 ( 1−exp( 2α h h 0 )+2exp( α h h 0 )−2 ) ( dh dt ) 2 + h 0 α ( exp( α h h 0 )−1 ) d 2 h d t 2 =0 gh− 1 2 ( 1+exp( 2α h h 0 )−2exp( α h h 0 ) ) ( dh dt ) 2 + h 0 α ( exp( α h h 0 )−1 ) d 2 h d t 2 =0 gh− 1 2 ( exp( α h h 0 )−1 ) 2 ( dh dt ) 2 + h 0 α ( exp( α h h 0 )−1 ) d 2 h d t 2 =0 d 2 h d t 2 − 1 2 α h 0 ( exp( α h h 0 )−1 ) ( dh dt ) 2 + α h 0 gh ( exp( α h h 0 )−1 ) =0

Es conveniente expresar la ecuación diferencial en términos de las magnitudes adimensionales H y T

H= h h 0 , T= g h 0 t d 2 H d T 2 − α 2 ( exp(αH)−1 ) ( dH dT ) 2 + αH exp(αH)−1 =0

Resolvemos las dos ecuaciones diferenciales con las condiciones iniciales T=0, H=1, dH/dT=0

El la primera tomamos, k=1, en la segunda α=ln(4)

function funnel_2
    H0=1;    
    k=1;
    f=@(t,x) [x(2); k^2*x(1)*(3+k^2*x(1)^2/2+2*k*x(1))*x(2)^2/
(1+k*x(1))-1/(1+k*x(1))];
    opts=odeset('events',@stop_fluido);
    [t,x]=ode45(f,[0,100],[H0,0], opts); 
    hold on
    plot(t,x(:,1))
    alfa=log(4);
    g=@(t,x) [x(2); alfa*(exp(alfa*x(1))-1)*x(2)^2/2-alfa*x(1)/
(exp(alfa*x(1))-1)];
    [t,x]=ode45(g,[0,100],[H0,0], opts); 
    plot(t,x(:,1))
    hold off
    grid on
    xlabel('T')
    legend('cuadrático','exponencial','Location','best')
    ylabel('V');
    title('Descarga')

    function [value,isterminal,direction]=stop_fluido(~,x)
        value=x(1);
        isterminal=1;    
        direction=-1; 
    end
end

Referencias

Johann Otto, Carl E Mungan. Flow of water out of a funnel. Eur. J. Phys. 45 (2024) 055007

Este artículo está disponible en la dirección: https://www.usna.edu/Users/physics/mungan/Publications/Publications.php#fndtn-panel120162017

H. Johari, W. W. Durgin. Unsteady flow in vertical, converging tubes