Cuba de Reynolds Cuba de Reynolds ÍNDICE ÍNDICE .................................................................................................................................................... 2 Resumen Resumen ................................................................................................................................................ 3 TEMA ..................................................................................................................................................... 3 Introducció Introducción n ....................................................................................................................................... 3 A ntecede ntecedentes ntes...................................................................................................................................... 3 Fundamento Fundamento Teórico Teórico ........................................................................................................................... 3 NÚMERO DE REYNOLDS: FUERZAS INERCIALES Y VISCOSAS, RÉGIMEN PARA FLUJOS INTERNOS Y EXTERNOS EXTERNOS....................................................................................................................................... 4 FLUJO LAMINAR, LAMINAR, TRANSICION TRANSICIONAL AL Y TURBULENT TURBULENTO O ............................................................................. 8 FUERZAS HIDROSTÁTICAS SOBRE SUPERFICIES PLANAS .................................................................... 9 Sección Sección Experime Experimental ntal........................................................................................................................ 10 Equipo y Materiale Materialess Empleados Empleados..................................................................................................... 10 Metodologí Metodología a Experime Experimental ntal................................................................................................ ............ 10 Tabulación de Datos Experimentales Recolectados ........................................................................ 11 Resultados Resultados........................................................................................................................................ 13 Cálculos Cálculos en el Punto 2 ................................................................................................................... 13 Cálculos Cálculos en el Punto 1 ................................................................................................................... 13 Correlaci Correlaciones ones en el Punto 2 ........................................................................................................... 13 Correlaci Correlaciones ones en el Punto 1 ........................................................................................................... 15 Calculo de las Fuerzas Hidrostáticas que soporta la Cuba de Reynolds con sus respectivos Centros de Presión.......................................................................................................................................... Presión.......................................................................................................................................... 16 Análisis nálisis y Discusión Discusión de Resultad Resultados os ..................................................................................................... 17 Conclusio Conclusiones nes................................................................................................................................ ..... 17 Recomendac Recomendaciones iones.................................................................................................................. ........... 18 Nomenclat Nomenclatura................................................................................................................................... ura................................................................................................................................... 18 Referenci Referencias as Bibliográf Bibliográficas icas ................................................................................................................. 18 Apéndice péndice ................................................................ .............................................................................. 19 Ejemplo Ejemplo de Cálculos Cálculos .......................................................................................................................... 19 Diámetro interno del caño como función del porcentaje de abertura ............................................. 19 Para calcular calcular los datos en el punto 2: ............................................................................................ 19 Para calcular calcular los datos en el punto 1: ............................................................................................ 19 Deducción Deducción de Ecuaciones Ecuaciones .................................................................................................................. 20 Laboratorio de Operaciones Operaciones Unitarias
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Cuba de Reynolds Diámetro interno del caño como función del porcentaje de abertura ............................................. 20 Para calcular calcular los datos en el punto 2: ............................................................................................ 20 Para calcular calcular los datos en el punto 1: ............................................................................................ 21 Ecuación para hallar el número de Reynolds para sección circular: ................................................. 22 Ecuaciones Ecuaciones de las correlac correlaciones iones:: .................................................................................................... 22 Para calcular la fuerza de presión en la pared de la cuba y los centros de presiones .......... ........... ..... ........ .. 23 Tablas adicionales adicionales,, gráficos gráficos y figuras figuras varias varias ...................................................................................... 24 Graficas Graficas del punto 2 ...................................................................................................................... 24 Graficas Graficas del punto 1 ...................................................................................................................... 26 Cuestionar Cuestionario io ..................................................................................................................................... 28
Resumen El siguiente experimento sobre la cuba de d e Reynolds, fue realizado para la visualización y calculo de flujos en diferentes regímenes, diferenciando el flujo laminar (flujo ordenado, lento) del flujo turbulento (flujo desordenado, rápido). Se obtienen valores para el número adimensional de Reynolds utilizado en mecánica de fluidos, diseño de reactores y fenómenos de transporte para caracterizar el movimiento de un fluido. Según lo observado pudimos presenciar un fluido laminar cuando la llave regulable estaba abierto hasta un 50 %, luego un flujo de transición en un 60 y 80 % de abertura, esto fue según método observado, pues calculando con datos experimentales cuando la llave se encuentra abierto en un 60% este todavía se encuentra en régimen laminar. Según los cálculos en este experimento no se presento un régimen turbulento.
TEMA Introducción A continuación se determinará la naturaleza de un flujo dado para un fluido incompresible calculando su número de Reynolds y así comprobar si los resultados teóricos concuerdan con los experimentales.
Antecedentes Reynolds (1874) estudió las características de flujo de los fluidos inyectando un trazador dentro de un líquido que fluía por una tubería. A velocidades bajas del líquido, el trazador se mueve linealmente en la dirección axial. Sin embargo a mayores velocidades, las líneas del flujo del fluido se desorganizan y el trazador trazador se dispersa rápidamente después de su inyección inyección en el líquido. El flujo lineal se denomina Laminar y el flujo errático obtenido a mayores velocidades del líquido se denomina d enomina Turbulento
Fundamento Teórico
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Cuba de Reynolds NÚMERO DE REYNOLDS: FUERZAS INERCIALES Y VISCOSAS, RÉGIMEN PARA FLUJOS INTERNOS Y EXTERNOS Las características que condicionan el flujo laminar dependen de las propiedades del líquido y de las dimensiones del flujo. Conforme aumenta el flujo másico aumenta las fuerzas del momento o inercia, las cuales son contrarrestadas por la por la fricción o fuerzas viscosas dentro del líquido que fluye. Cuando estas fuerzas opuestas alcanzan alcanzan un cierto equilibrio se producen cambios en las características del flujo. En base a los experimentos realizados por Reynolds en 1874 se concluyó que las fuerzas del momento son función de la densidad, del diámetro de la tubería y de la velocidad media. Además, la fricción o fuerza viscosa depende de la viscosidad del líquido. Según dicho análisis, el Número de Reynolds se definió como la relación existente entre las fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas (o de d e rozamiento).
Este número es adimensional y puede utilizarse para definir las características del flujo dentro de una tubería. El número de Reynolds proporciona una indicación de la pé rdida de energía causada por efectos viscosos. Observando la ecuación anterior, cuando las fuerzas viscosas tienen un efecto dominante en la pérdida de energía, el número de Reynolds es pequeño y el flujo se encuentra en el régimen laminar. Si el Número de Reynolds es 2100 o menor el flujo será laminar. Un número de Reynold mayor de 10 000 indican que las fuerzas viscosas influyen influy en poco en la la pérdida de energía y el flujo es turbulento. En definitiva: Re < 2000: Régimen laminar. 2000 < Re < 4000: Zona crítica o de transición. Re > 4000: Régimen turbulento.
FUERZAS INERCIALES En la Primera Ley de Newton, que también se le denomina Principio de Inercia, se dice que un cuerpo permanece en su estado de movimiento si sobre el no actúa una f uerza externa. Inercia: Propiedad de la materia que hace que ésta se resista a cualquier cambio en su movimiento, ya sea de dirección o de velocidad. Fuerza inercial es una fuerza que existe en los cuerpos acelerados, y que es igual a la fuerza que los acelera, pero de sentido contrario.
FUERZAS VISCOSAS VISCOSIDAD La viscosidad es el rozamiento interno entre las capas de fluido. A causa de la viscosidad, es necesario ejercer una fuerza para obligar a una capa de fluido a deslizar sobre otra. En la figura, se representa un fluido comprendido entre una lámina inferior fija y una lámina superior móvil.
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La capa de fluido en contacto con la lámina móvil tiene la misma velocidad que ella, mientras que la adyacente a la pared fija está en reposo. La velocidad de las distintas capas intermedias aumenta uniformemente entre ambas láminas tal como sugieren las flechas. Un flujo de este tipo se denomina laminar. Como consecuencia de este movimiento, una porción de líquido que en un determinado instante tiene la forma ABCD, al cabo cabo de un cierto tiempo se deformará deformará y se transformará en la porción ABC’D’.
Sean dos capas de fluido de área S que distan dx y entre las cuales existe una diferencia de velocidad dv. La fuerza por unidad de área que hay que aplicar es proporcional al gradiente de velocidad. La constante de proporcionalidad se denomina viscosidad.
En el caso particular, de que la velocidad aumente uniformemente, como se indicó en la primera figura, la expresión anterior también se escribe:
En la figura, se representan dos ejemplos de movimiento de un fluido a lo largo de una tubería horizontal alimentada por un depósito grande grand e que contiene líquido a nivel constante. Cuando el tubo horizontal está cerrado todos los tubos manométricos dispuestos a lo largo de la tubería marcan la misma presión p=p0+ gh. Al abrir el tubo de salida los manómetros registran distinta presión según sea el tipo de fluido. FLUIDOS IDEAL: Un fluid luido o ide ideal al (figu figurra de de la izqu izquie ierd rda) a) sale ale por la tuber bería con una ve veloc locidad, ad, , de acuerdo con el teorema de Torricelli. Toda la energía potencial disponible (debido a la altura h) se transforma en energía cinética. cinética. Aplicando la ecuación de Bernoulli podemos fácilmente comprobar que la altura del líquido en los manómetros debe ser cero.
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FLUIDOS VISCOSOS En un fluido viscoso (figura de la derecha) el balance de energía es muy diferente. Al abrir el extremo del tubo, sale fluido con una velocidad v elocidad bastante más pequeña. Los tubos manométricos marcan alturas decrecientes, informándonos de las pérdidas de energía por rozamiento viscoso. viscoso. En la salida, una parte de la energía potencial que tiene cualquier elemento elemento de fluido al iniciar el movimiento se ha transformado íntegramente en calor. El hecho de que los manómetros marquen presiones sucesivamente decrecientes nos indica que la pérdida de energía en forma de calor es uniforme a lo largo del tubo Viscosidad de algunos líquidos: TABLA Nº 0: VISCOSIDAD VISCOSIDADDE DE LÍQUIDOS Líquido
h ·10-2 kg/(ms)
Aceite de ricino
120
Agua Alcohol etílico Glicerina Mercurio
0.105 0.122 139.3 0.159
LEY DE POISEUILLE: Consideremos ahora un fluido viscoso que circula en régimen laminar por una tubería de radio interior R, y de longitud L, bajo la acción de d e una fuerza debida a la diferencia de presión existente en los extremos del tubo.
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Cuba de Reynolds Sustituyendo F en la fórmula (1) y teniendo en cuenta que el área A de la capa es ahora el área lateral de un cilindro de longitud L y radio r.
El signo negativo se debe a que v disminuye al aumentar r. PERFIL DE VELOCIDADES Integrando esta ecuación, obtenemos el perfil de velocidades en función de la distancia radial, al eje del tubo. Se ha de tener en cuenta que la velocidad en las paredes del tubo r=R es nula.
Que es la ecuación de una parábola. p arábola.
El flujo tiene por tanto un perfil de velocidades parabólico, siendo la velocidad máxima en el centro del tubo.
RÉGIMEN PARA FLUJOS INTERNOS
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Cuba de Reynolds FLUJO LAMINAR, TRANSICIONAL Y TURBULENTO Flujo Laminar Las partículas del líquido se mueven siempre a lo largo de trayectorias uniformes, en capas o láminas, con el mismo sentido, dirección y magnitud. Suele presentarse en los extremos finales de los laterales de riego y en microtubos de riego. En tuberías de sección circular, si hacemos un corte transversal, las capas de igual velocidad se disponen de forma concéntrica, con v > 0 junto a las paredes de la tubería y velocidad máxima en el centro. Corresponde el régimen laminar a bajos valores del número de Reynolds y suele darse a pequeñas velocidades, en tubos con pequeño diámetro y con fluidos muy viscosos (aceites). En estas condiciones, las fuerzas viscosas predominan sobre la s de inercia.
Flujo Transicional El flujo laminar se transforma en turbulento en un proceso conocido como transición; a medida que asciende el flujo laminar se convierte en inestable por mecanismos que no se comprenden totalmente. Estas inestabilidades crecen crecen y el flujo se hace turbulento.
Flujo Turbulento Las partículas se mueven siguiendo trayectorias erráticas, desordenadas, con formación de torbellinos. Cuando aumenta la velocidad del flujo, y por tanto el número de Reynolds, la tendencia al desorden crece. Ninguna capa de fluido avanza más rápido que las demás, y sólo existe un fuerte gradiente de velocidad en las proximidades de las paredes de la tubería, ya que las partículas en contacto con la pared han de tener forzosamente velocidad nula. Dentro del régimen turbulento se pueden p ueden encontrar tres zonas diferentes: RÉGIMEN TURBULENTO LISO: las pérdidas que se producen no dependen de la rugosidad interior del tubo. Se presenta para valores del número de Reynolds bajos por encima de 4000. RÉGIMEN TURBULENTO DE TRANSICIÓN: las pérdidas dependen de la rugosidad del material del tubo y de las fuerzas de viscosidad. Se da para números de Reynolds altos, y depende del número de Reynolds y de la rugosidad rugo sidad relativa. R UGOSO: Las pérdidas de carga son independientes del número de RÉGIMEN TURBULENTO RUGOSO: Reynolds y dependen sólo de la rugosidad del material. Se da para valores muy elevados del número de Reynolds.
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Cuba de Reynolds FUERZAS HIDROSTÁTICAS SOBRE SUPERFICIES PLANAS PRESIÓN DE UN FLUIDO De acuerdo con la ley de pascal, es un punto, un fluido en reposo genera cierta presión p que es la misma en todas direcciones. La magnitud de p, medida como una fuerza por área unitaria, depende del peso especifico γ o de la densidad de masa p del fluido y de la profundidad z del
punto desde la superficie del fluido. La relación puede ser expresada matemáticamente matemáticamente como
Donde g es la aceleración debida a la gravedad. La ecuación anterior es válida solo para fluidos que se suponen incompresibles, lo cual es el caso de la mayoría de los líquidos. Los gases son fluidos compresibles, y puesto que sus densidades cambian considerablemente con la presión y la temperatura, la ecuación mencionada no puede ser usada. Los muros de contención que se muestra en la siguiente se manifiestan los ejemplos típicos de paredes rectangulares expuestas a una presión que varía desde cero, en la superficie del fluido, hasta un máximo, en la parte inferior de la pared. La fuerza debida a la presión de fluido tiende a tirar la pared o a romperla, en el sitio sitio que está fija en el fondo.
La fuerza real se distribuye sobre toda la superficie de la pared pero, para fines de análisis, es conveniente determinar la fuerza resultante y el sitio en el cual actúa, conocido como centro de presión. Esto es, si la fuerza entera estuviera concentrada en un solo punto ¿en qué lugar estaría dicho punto y cuál sería la magnitud de tal fuerza?
En la figura anterior se muestra la distribución de presión sobre el muro de contención vertical. , la presión varía linealmente (como una línea recta) con Como se indicó en la ecuación ∆p
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Cuba de Reynolds respecto de la profundidad en el fluido. La longitud de las flechas punteadas representa la magnitud de la presión en diferentes puntos sobre la pared. Debido a esta variación lineal en la presión, la fuerza resultante total puede ser calculada con la ecuación.
En la que es la presión promedio y A es el área total del muro. Pero la presión promedio es la que se encuentra en la parte media del muro y puede calcularse mediante la ecuación:
En la que d es la profundidad total del fluido. Por lo tanto, tenemos:
En la que: γ= peso específico e specífico del fluido
d = profundidad pro fundidad total del fluido A= área total de la pared
Sección Experimental Equipo y Materiales Empleados
Una cuba de Reynolds, de vidrio, y equipada con tubo de vidrio y accesorios. Equipo inyector de colorante, con tinte apropiado. Fuente de agua limpia. Probeta graduada. Cronómetro. Termómetro. Recientes de plástico (varios).
Metodología Experimenta Experimental l 1. Estudie la ubicación de todas las válvulas 8 se sugiere establecer como escala de abertura: 30, 40, 50, 60, 80, 100%), y familiarícese con la operación del equipo. 2. Comience abriendo la válvula V-1 y llene la cuba con agua, hasta alcanzar una altura H que debe mantener constante durante el trabajo experimenta (determinada en función de las dimensiones de la cuba y la resistencia que ésta pueda ofrecer). 3. Abra parcialmente la válvula V-2, en coordinación con la válvula V-1, la finalidad es mantener la altura H constante del agua en la cuba. Establecido el régimen de flujo, mida la temperatura del fluido, y un número adecuado de datos de caudal. 4. Regule la válvula V-3, de inyección del tinte, y observe la naturaleza cualitativa de la línea coloreada de flujo en el tubo de d e vidrio, debe registrarlo.
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Cuba de Reynolds 5. Repita el procedimiento, procedimiento, desde la abertura de la válvula V-2, V -2, para cada una de las la s escalas de abertura establecidas de la válvula V-2. Terminado el trabajo experimental, cierre todas las válvulas, y realice una limpieza general de todo el equipo.
Tabulación de Datos Experimentales Recolectados Dimensiones de la Cuba a) DIMENSIONES FÍSICAS, INTERNAS Y EXTERNAS:
30 cm (29.4 cm) H =24 cm 30 cm (28.8 cm) 100 cm (98.8 cm) Espesor del vidrio = 0.6 cm b) DIÁMETRO Y LONGITUD DEL TUBO DE VIDRIO Y DEL CAÑO: Tubo
Di = 2.8 cm
.1
Caño
Di = 1.4 cm
.2
DATOS DEL TUBO, PUNTO 1: Di = 2.8cm De = 3cm 90 cm
A1 : 6.157521601
cm
0.000615752 m
D1 :
cm
0.028 m
2.8
DATOS DEL CAÑO, PUNTO 2: A2 :
1.5393804
cm
0.000153938
m
D2 :
1.4
cm
0.014
m
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Cuba de Reynolds c) TIPO DE MATERIAL, Y ACCESORIOS AUXILIARES.
Material de la cuba es de vidrio triple (0.6 cm de espesor) Material del tubo es de vidrio fino (el vidrio más comúnmente usado en la construcción de lámparas fluorescentes es el silicato solalime)
d) ACCESORIOS AUXILIARES:
Tubo fluorescente (limpio transparente) Caño o llave regulable (diámetro (diámetro para el flujo salida 1.4cm) Para unir el tubo con el caño (un reductor y una contratuerca) Un recolector y una vía (para el tinte) Aguja (para la inyección del tinte)
Datos del Fluido TABLA Nº 01: PROPIEDADES PROPIEDADESFISICAS FISICAS DEL AGUA A 19 ºC
FLUIDO 3
Densidad (kg/m )
998
Viscosidad Dinámica (Kg/m·s)
1.027E-03
2
Viscosidad Cinemática (m /s)
1.029E-06
Mediciones de Caudal Fluido de Trabajo: Agua
Altura (H) = 24 cm
TABLA Nº 02: DATOS EXPERIMENTALES DEL CAUDAL EN FUNCION AL VOLUMEN Y TIEMPO, Y TAMBIEN AL PORCENTAJE DE ABERTURA
Dato Nº
1
2
3
4
Abertura (%)
Volumen (ml) Tiempo (s)
40
50
60
80
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Caudal Q=V/t
60
10.20
5.8824
90
15.47
5.8177
120
20.90
5.7416
150
26.76
5.6054
180
32.52
5.5351
60
4.59
13.0719
90
6.44
13.9752
120
9.01
13.3185
150
11.44
13.1119
180
13.68
13.1579
60
2.92
20.5479
90
4.11
21.8978
120
5.63
21.3144
150
7.09
21.1566
180
8.92
20.1794
60
2.10
28.5714
90
3.19
28.2132
120
4.15
28.9157
Temp. ºC Tipos de flujo
19
Laminar
19
Laminar
19
Transición
19
Transición
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Cuba de Reynolds
5
100
150
5.30
28.3019
180
6.49
27.7350
60
1.71
35.0877
90
2.60
34.6154
120
3.48
34.4828
150
4.48
33.4821
180
5.58
32.2581
19
Transición
Resultados Cálculos en el Punto 2 TABLA Nº 03: CALCULOS DE AREA, CAUDAL, VELOCIDAD, FLUJO MASICO, NUMERO DE REYNOLDS Y TIPO DE FLUJO PARA EL PUNTO 2
Dato Abertura Nº (%)
Diámetro (m)
Área (m2)
Q Prom (m3/s)
Velocidad (m/s)
Flujo Másico (Kg/s)
Reynolds
Tipos de flujo
1
40
0.0056
2.46E-05 5.72E-06
0.2321
0.0057 1263.0812 Laminar
2
50
0.0070
0.3463
0.0133 2355.7625 Transición
3
60
0.0084
3.85E-05 1.33E-05 5.54E-05 2.10E-05
0.3793
0.0210 3096.2209 Transición
4
80
0.0112
0.2877
0.0283 3131.7733 Transición
5
100
0.0140
9.85E-05 2.83E-05 1.54E-04 3.40E-05
0.2208
0.0339 3003.7011 Transición
Cálculos en el Punto 1 TABLA Nº 04: CALCULOS DE AREA, CAUDAL, VELOCIDAD, FLUJO MASICO, NUMERO DE REYNOLDS Y TIPO DE FLUJO PARA EL PUNTO 1
Dato Abertura Nº (%)
Diámetro (m)
Área (m2)
Q Prom (m3/s)
Velocidad (m/s)
Flujo Másico (Kg/s)
Reynolds
Tipos de flujo
1
40
0.0280
6.16E-04 5.72E-06
0.0093
0.0057 252.61624 Laminar
2
50
0.0280
0.0216
0.0133 588.94062 Laminar
3
60
0.0280
6.16E-04 1.33E-05 6.16E-04 2.10E-05
0.0341
0.0210 928.86628 Laminar
4
80
0.0280
0.0460
0.0283 1252.7093 Laminar
5
100
0.0280
6.16E-04 2.83E-05 6.16E-04 3.40E-05
0.0552
0.0339 1501.8506 Laminar
Correlaciones en el Punto 2 Re vs. Q Utilizando la ecuación (4.1.8) de la deducción de ecuaciones:
TABLA Nº 05: CORRELACION DEL NUMERO DE REYNOLDS EN FUNCION DEL CAUDAL
Caudal
Reynolds
x
y
x2
xy
yc
5.72E-06 1263.0812
5.72E-06
1263.0812
7.22E-03
3.27E-11
1668.0958
1.33E-05 2355.7625
1.33E-05
2355.7625
3.14E-02
1.78E-10
2133.1139
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Cuba de Reynolds 2.10E-05 3096.2209 2.83E-05 3131.7733
2.10E-05
3096.2209
6.51E-02
4.42E-10
2603.1112
2.83E-05
3131.7733
8.88E-02
8.04E-10
3050.8719
3.40E-05 3003.7011
3.40E-05
3003.7011
1.02E-01
1.15E-09
3395.3463
Hallamos la siguiente correlación:
Re vs. v Utilizando la expresión (4.2.3):
TABLA Nº 06: CORRELACIÓN DEL NÚMERO DE REYNOLDS EN FUNCIÓN DE LA VELOCIDAD
Velocidad
Reynolds
x
y
x2
xy
yc
5.72E-06 1263.0812 1.33E-05 2355.7625
0.2321
1263.0812
293.1500
0.0539
2318.0785
0.3463
2355.7625
815.7937
0.1199
2788.8187
2.10E-05 3096.2209 2.83E-05 3131.7733
0.3793
3096.2209
1174.3566
0.1439
2924.7986
0.2877
3131.7733
901.1104
0.0828
2547.4206
3.40E-05 3003.7011
0.2208
3003.7011
663.1332
0.0487
2271.4227
Hallamos la siguiente correlación:
Re vs. M Utilizando la expresión (4.3.6):
TABLA Nº 07: CORRELACIÓN DEL NÚMERO DE REYNOLDS EN FUNCION DEL FLUJO MASICO
Flujo Másico Reynolds
x
y
x2
xy
yc
0.0057 1263.0812 0.0133 2355.7625
0.0057
1263.0812
7.2063
3.26E-05
1668.0958
0.0133
2355.7625
31.3344
1.77E-04
2133.1139
0.0210 3096.2209 0.0283 3131.7733
0.0210
3096.2209
64.9536
4.40E-04
2603.1112
0.0283
3131.7733
88.6052
8.00E-04
3050.8719
0.0339 3003.7011
0.0339
3003.7011
101.8830
1.15E-03
3395.3463
Hallamos la siguiente correlación:
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Cuba de Reynolds Correlaciones en el Punto 1 Re vs. Q Utilizando la ecuación (4.1.8) de la deducción de ecuaciones:
TABLA Nº 08: CORRELACION DEL NUMERO DE REYNOLDS EN FUNCION DEL CAUDAL
Caudal
Reynolds
x
y
x2
xy
yc
5.72E-06
252.6162
5.72E-06
252.6162
1.44E-03 1. 44E-03
3.27E-11
252.6162
1.33E-05
588.9406
1.33E-05
588.9406
7.85E-03 7. 85E-03
1.78E-10
588.9406
2.10E-05
928.8663
2.10E-05
928.8663
1.95E-02 1. 95E-02
4.42E-10
928.8663
2.83E-05 1252.7093
2.83E-05
1252.7093
3.55E-02
8.04E-10
1252.7093
3.40E-05 1501.8506
3.40E-05
1501.8506
5.10E-02
1.15E-09
1501.8506
Hallamos la siguiente correlación:
Esta expresión es prácticamente:
Re vs. v Utilizando la expresión (4.2.3):
TABLA Nº 09: CORRELACION DEL NUMERO DE REYNOLDS EN FUNCION DE LA VELOCIDAD
Velocidad
Reynolds
x
y
x2
xy
yc
0.2321
252.6162
0.0093
252.6162
2.3452
0.0001
252.6162
0.3463
588.9406
0.0216
588.9406
12.7468
0.0005
588.9406
0.3793
928.8663
0.0341
928.8663
31.7076
0.0012
928.8663
0.2877 1252.7093
0.0460
1252.7093
57.6711
0.0021
1252.7093
0.2208 1501.8506
0.0552
1501.8506
82.8917
0.0030
1501.8506
Hallamos la siguiente correlación:
Re vs. M Utilizando la expresión (4.3.6):
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Cuba de Reynolds TABLA Nº 10: CORRELACION DEL NUMERO DE REYNOLDS EN FUNCION DEL FLUJO MASICO
Flujo Másico Reynolds
x
y
x2
xy
yc
0.0057
252.6162
0.0057
252.6162
1.4413
3.26E-05
252.6162
0.0133
588.9406
0.0133
588.9406
7.8336
1.77E-04
588.9406
0.0210
928.8663
0.0210
928.8663
19.4861
4.40E-04
928.8663
0.0283 1252.7093
0.0283
1252.7093
35.4421
8.00E-04
1252.7093
0.0339 1501.8506
0.0339
1501.8506
50.9415
1.15E-03
1501.8506
Hallamos la siguiente correlación:
Calculo de las Fuerzas Hidrostáticas que soporta la Cuba de Reynolds con sus respectivos Centros de Presión Z 4
5
2
3
X
1 Y A1 = (0.988 m)(0.288 m) = 0.284544 m2 A4 = A2 = (0.988 m)(0.24 m) = 0.23712 m2 A5 = A3 = (0.288 m)(0.24m) = 0.06912 m2 Z = H = 0.24 m
FUERZA HIDROSTÁTICA Y CENTRO DE PRESIÓN PARA LADO 1
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Cuba de Reynolds
FUERZA HIDROSTÁTICA Y CENTRO DE PRESIÓN PARA LADO 2 Y LADO 4
FUERZA HIDROSTÁTICA Y CENTRO DE PRESIÓN PARA LADO 3 Y LADO 5
Análisis y Discusión de Resultados Las medidas de flujo que se hicieron (salda caño) se pudieron tomar a partir de una abertura del caño de un 40%; con una abertura menor a esta, no había salida de flujo alguno, debido a esto no se pudieron obtener más datos. Los resultados del número de Reynolds fueron demasiados bajos, no presentándose así un flujo turbulento ni de transición. Para los datos en el tubo (punto 1) Re vs. , Re vs. Q 1 , Re vs. m1 no se presentaron errores, su coeficiente de correlación es igual a uno (R=1), las graficas respectivamente tienen un comportamiento lineal, con excepción del punto 2, que no correlacionan bien, esto se debe a la posible determinación de diámetros a partir del porcentaje de abertura.
Conclusiones Según lo observado en el tubo se presento el flujo laminar, transición; pero con los cálculos realizados solo se presentan flujo laminar al interior del tubo. Las fuerzas hidrostáticas van aumentando según la profundidad.
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Cuba de Reynolds En la parte del fondo (lado 1) se ejerce mayor presión hidrostática, y la carga distribuida a lo largo de este lado (1) es constante ya que todos los puntos que se encuentran en este plano están a la misma profundidad desde la superficie del líquido. líquido. A diferencia de los lados extremos la presión varia linealmente con respecto a la profundidad en el fluido, el lado 3 y 5 presentan una menor presión del fluido (presentan (presentan menor área).
Recomendaciones Las medidas se pudieron tomar a partir de una abertura del caño de un 40%; con una abertura menor a esta no había salida de flujo alguno, se recomienda aumentar el nivel de agua en la cuba, para incrementar la presión dentro y haya un mayor flujo. Se recomienda utilizar un tinte adecuado para la prueba experimental, debido a que el tinte utilizado era inorgánico y más denso que el agua, y con una prueba de otro tinte orgánico era menos denso que el agua; con la prueba de estos dos tintes diferentes no se puede observar bien el tipo de flujo.
Nomenclatura = Caudal (m3 /s) = Volumen (m3 ) = Tiempo (s) 2 = área de turbulencia turbulencia (m ) = diámetro (m) = velocidad (m/s) = Densidad (Kg/m3 ) ρ = Viscosidad (N.s/m2 ) μ m = Flujo másico (Kg/s) Re = Numero de Reynolds (adimensional) Fr = Fuerza hidrostática resultante Cp = Centro de presión = Peso Especifico γ = Pi (3.1415) π = Símbolo para expresar una constante α % abert = Porcentaje de abertura abertura del caño H = Altura hidrostática Q V t A D v
Referencias Bibliográficas
Merle C. Potter, David C. Wiggert – 3ra edición. Mecánica de fluidos. f luidos. Robert Mott- 4ta edición. Mecánica de fluidos
Sears, Física Moderna y Física Universitaria. Tercera Edicion.
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Cuba de Reynolds Apéndice Ejemplo de Cálculos Diámetro interno del caño como función del porcentaje de abertura Usando la ecuación (1.2):
Si consideramos el caño totalmente abierto, el % de abertura es 1, por consiguiente el diámetro es:
Y así se hallando los demás diámetros de la tabla Nº 03.
Para calcular los datos en el punto 2: A partir de los lo s datos experimentales experimentales hallamos el caudal promedio, para una abertura del 100 %:
A partir del diámetro hallado para una abertura 100 %:
Para la velocidad:
Para el flujo másico, necesitamos el valor de la densidad que está en la tabla Nº 01:
Y por último el número de Reynolds, debemos tomar tomar el dato de la viscosidad dinámica de la tabla Nº 01, o en todo caso la viscosidad cinemática:
Y así se completan los demás datos de la tabla Nº 02.
Para calcular los datos en el punto 1: Por ecuación de continuidad para un fluido incompresible tenemos:
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Cuba de Reynolds Y para una abertura de 100 %:
El diámetro 2 es 0.028 m entonces hallamos el área:
Por ecuación de continuidad continuidad tenemos:
Para hallar la velocidad, para una abertura del 100%:
Y por último el número de Reynolds:
Y así se completan los demás datos de la tabla Nº 03.
Deducción de Ecuaciones Diámetro interno del caño como función del porcentaje de abertura Como el flujo en el punto 2 es manipulado por medio de un caño y este depende del diámetro, como directamente no puede establecerse una medida, se busca una medida indirecta a partir del porcentaje de abertura. El diámetro 2 depende del porcentaje de abertura del caño se puede establecer la siguiente ecuación:
Se sabe experimentalmente que el diámetro interno del caño es 1.4 cm 0 .0014 m:
Para calcular los datos en el punto 2: Se sabe por equivalencia que el flujo volumétrico o caudal es una relación entre el volumen de flujo y el tiempo que demora en fluir tal flujo, pero si consideramos una tubería, también puede expresarse en función a la velocidad del flujo y el área de sección transversal de la tubería de la siguiente manera:
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Cuba de Reynolds
Despejando la velocidad del flujo, nos queda qu eda una relación entre el caudal y el área de sección transversal:
El caudal puede obtenerse experimentalmente experimentalmente dividiendo el volumen de descarga y el tiempo que demora esta descarga y así obtener el caudal:
Además el área transversal de la tubería, puede hallarse obteniendo el diámetro de flujo o diámetro interno de la tubería por la siguiente fórmula: fórmula:
Para calcular los datos en el punto 1: Por la ecuación de la continuidad podemos decir, que el flujo másico en el punto 1 es igual al flujo másico en el punto 2:
Ahora se sabe que la relación entre el flujo másico y el flujo volumétrico es la densidad del fluido:
Despejando el flujo másico:
Ahora reemplazando la ecuación anterior (2.1) en la ecuación (3.3):
Reemplazando (3.4) en (3.1):
Ahora despejando la velocidad en el punto 1:
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Cuba de Reynolds Reemplazando la ecuación ecuación (2.4) en (3.6), se simplifica simplifica la expresión en:
Podemos reemplazar el diámetro 2 por la ecuación (1.2): Reemplazando (2.6) en (2.4):
Ecuación para hallar el número de Reynolds para sección circular: El número de Reynolds de un flujo que se transporta dentro de una tubería, se define como:
Ecuaciones de las correlaciones: Reynolds vs. Caudal Para expresar la correlación planteamos el número de Reynolds en función al caudal:
A partir de la ecuación (4.1) podemos definir:
A partir de la ecuación (2.1) en (2.4):
Despejando la velocidad:
Reemplazando en (5.1.3) en (5.1.4):
Simplificamos y obtenernos la expresión necesaria para la regresión:
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Cuba de Reynolds
Reynolds vs. Velocidad Para expresar la correlación planteamos el número de Reynolds en función de la velocidad:
A partir de la ecuación (4.1) podemos definir:
A partir de esta ecuación puede correlacionarse los datos:
Reynolds vs. Flujo Másico Para expresar la correlación planteamos el número de Reynolds en función del flujo másico:
A partir de esta ecuación (4.1) ( 4.1) puede definirse:
A partir de la ecuación (3.4):
Reemplazando y simplificando la expresión (5.3.3) en (5.3.2):
A partir de esta ecuación puede correlacionarse los datos:
Para calcular la fuerza de presión en la pared de la cuba y los centros de presiones
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Cuba de Reynolds
Tablas adicionales, gráficos y figuras varias Graficas del punto 2 Reynolds vs. Caudal
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Cuba de Reynolds
Reynolds vs. Velocidad
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Cuba de Reynolds Reynolds vs. Flujo Másico
Graficas del punto 1 Reynolds vs. Caudal
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Cuba de Reynolds Reynolds vs. Velocidad
Reynolds vs. Flujo Másico
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Cuba de Reynolds Cuestionario
¿Qué sucederá si en cada registro de datos, el nivel H de agua utilizada en la cuba no permanece constante? La velocidad de salida del fluido variara. Debido a que el nivel del agua ejerce una presión en la cuba. Si disminuye el nivel de agua (altura) el flujo del agua será menor, y viceversa, y esto ocasionaría un error en la toma de datos para el caudal.
¿Sería factible el ejemplo de un tinte orgánico? Fundamente su respuesta. No, porque el tinte orgánico orgánico es menos denso que el fluido que lo contiene, contiene, al ser menos menos denso el tinte se eleva a la superficie del tubo y no se aprecia bien el tipo de régimen.
Explique qué sucedería si la longitud del tubo de vidrio utilizado se reduce a la mitad. No permitiría la visualización de flujos en los diferentes regímenes. regímenes. Según la ecuación de ley de poiseuille
La longitud del tubo es inversamente proporcional a la velocidad, por lo tanto si la longitud se reduce aumenta la velocidad siempre y cuando las otras variables permanezcan constantes.
Explique qué sucedería si el diámetro del tubo de vidrio utilizado aumenta al doble. Se presentaría una variación en la velocidad, a mayor diámetro diámetro la velocidad disminuye. Según la ecuación de Reynolds:
Entonces si mantenemos la viscosidad y la densidad constantes (Tº cte) el número de Re aumentara si la velocidad se mantiene. Con respecto a la longitud de entrada este aumentaría, ya que es directamente proporcional al diámetro.
¿Qué efectos tendrá el uso de un fluido más denso, o menos denso? Al ser la densidad directamente proporcional al número de Reynolds, si la densidad aumenta el número de Reynolds también aumentara, y viceversa.
¿Qué efectos tendría el uso de un fluido más viscoso, o menos viscoso? Cuando las fuerzas viscosas tienen un efecto dominante en la pérdida de energía, el número de Reynolds es pequeño
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Cuba de Reynolds
Al ser menos viscoso no existiría resistencia y el líquido fluiría con mayor rapidez, mayor velocidad. Obteniendo un número de Reynolds elevado.
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