Dinámica de fluidos: ¿Qué es la presión estática?

Para entender mejor qué es la presión estática, primero necesitamos algunos antecedentes y aclaraciones sobre otros términos. El término «presión» es ampliamente utilizado para muchas aplicaciones dentro de la dinámica de fluidos y la termodinámica, que van desde la aerodinámica hasta el diseño de plantas. Sin embargo, debemos deducir del contexto si se está hablando de presión estática, total o dinámica.

La mayoría de las definiciones mencionadas aquí fueron tomadas del libro Mechanics of Fluids de Merle C. Potter, David C. Wiggert y Bassem H. Ramadan.

Consideraciones sobre la presión Consideraciones importantes antes de iniciar una simulación computacional de ingeniería eólica

En mecánica de fluidos, la presión se define como una fuerza normal que actúa sobre un área. Matemáticamente, la presión p sobre un punto se define como:

Las unidades métricas utilizadas para medir la presión son newtons por metro cuadrado (N/m²) o, más habitualmente, kilopascal (kPa). La presión atmosférica a nivel del mar, por ejemplo, es de 101,3 kPa. Las unidades inglesas para la presión son libras por pulgada cuadrada (psi) o libras por pie cuadrado (psf).

Simulación de la presión atmosférica Presión absoluta

Al igual que la temperatura, la presión puede medirse mediante diferentes escalas, y también existen escalas absolutas para ambas propiedades. En un vacío ideal, la presión absoluta llega a cero. Así, no hay moléculas en el espacio que ejerzan presión. Por lo tanto, es imposible alcanzar una presión absoluta negativa.

Las cosas se complican mucho más cuando consideramos las mediciones relativas de la presión. Hay mucha confusión en cuanto a la terminología. También es común que diferentes programas de software recomienden la interpretación de sus mediciones de presión de manera contrastada. Hablaremos de cómo funciona eso con SimScale dentro de un rato.

Presiones relativas de simulación de la presión atmosférica

Hay muchas medidas de presión relativa diferentes. El primer ejemplo, y el más común, se llama presión manométrica, que se consigue al medir presiones relativas a la presión atmosférica. También se suele llamar presión barométrica. Se deduce entonces que una conversión de presión manométrica a presión absoluta se obtiene sumándola a la presión atmosférica.

Examinemos ahora otras medidas de presión que se utilizan dentro del campo de la mecánica de fluidos.

Simulación de la presión atmosférica Presión estática

Para ilustrar lo que es la presión total, empecemos por comprobar la famosa ecuación de Bernoulli:

que mide la diferencia de velocidad y presión entre dos puntos de un flujo.

La presión p en esta ecuación es la presión estática. Cuando se mide en relación con la presión atmosférica, la presión estática es la misma que la presión manométrica. Sin embargo, es posible medir la presión estática con un vacío como referencia, de modo que el valor medido es igual a la presión absoluta.

La presión estática se mide cuando el fluido está en reposo respecto a la medición. Se puede medir con un piezómetro adosado a la pared de la tubería por la que circula el fluido.

Simulación de la presión atmosférica Presión dinámica

Nótese que al medir antes la presión estática, no consideramos los efectos de la velocidad. Si no despreciamos estos efectos, habrá un incremento en la presión medida. Este aumento se denomina presión dinámica. La presión dinámica es una función de la velocidad y la densidad del fluido:

Simulación de la presión del aire Presión total

La presión total, también llamada presión de estancamiento, se mide sumando la presión estática a la presión dinámica:

La presión total se mide comúnmente con un dispositivo llamado tubo de pitot. Puedes ver los tubos de pitot en los aviones, por ejemplo, como pequeños agujeros o tubos metálicos colgados en las alas, como se muestra a continuación:

La velocidad en el interior del tubo de pitot es cero, lo que lo convierte en un punto de estancamiento. Para medir directamente la presión dinámica se puede utilizar otro dispositivo, llamado tubo pitot-estático. Consiste básicamente en un tubo de pitot con una abertura para la presión estática.

Para la mayoría de los casos cotidianos, la presión total está muy cerca de la presión estática. Esto sucede porque la mayoría de los sistemas están diseñados para asegurar bajas velocidades del fluido, generalmente para evitar la pérdida de carga por fricción, que es proporcional a la energía cinética del fluido. En estos casos, la distinción entre presión total y presión estática puede no ser relevante.

Presión estática en SimScale

Presión estática en un ventilador centrífugo – Análisis CFD realizado con SimScaleBásicamente, cuando simulamos flujos de fluidos, estamos utilizando las ecuaciones de Navier-Stokes. Ahora bien, cuando derivamos las ecuaciones de Navier-Stokes para fluidos incompresibles, el término de presión sólo tiene un significado matemático. Sólo el gradiente de presión, que es el responsable de impulsar el fluido, tiene un significado físico. En otras palabras, las medidas de presión se utilizan principalmente para la verificación de la cordura de la solución.

Siguiendo esta lógica, si cambiáramos las condiciones de contorno de presión fija de nuestra simulación sumando un valor constante, por ejemplo, el flujo resultante no se modificaría porque el gradiente de presión seguiría siendo el mismo.

Más concretamente, para los flujos incompresibles, SimScale utiliza la presión específica, que se define normalizando la presión por la densidad.

SimScale también permite un rico conjunto de condiciones de contorno. Para obtener más información sobre la configuración y el uso de las condiciones de contorno en la plataforma de simulación basada en la nube SimScale, puede consultar esta página de la documentación. Para las condiciones de contorno de entrada de presión, se utiliza la presión total, mientras que para las salidas de presión, se utiliza la presión estática o manométrica. Si desea obtener más información sobre la plataforma basada en la nube de SimScale y sus capacidades, descargue este resumen de características.

Para obtener más información sobre la simulación de la presión del aire, consulte este blog.

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