PRÁCTICA 1 - VISUALIZACIÓN DE FLUJO LAMINAR Y TURBULENTO
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PRÁCTICA 1 - VISUALIZACIÓN DE FLUJO LAMINAR Y TURBULENTO
INDICE Introducción Introducción ................................................................................................................................... 3 Objetivos Objetivos ........................................................................................................................................ 4 Marco Teórico Teórico ................................................................................................................................ 5 Flujo en tuberías .........................................................................................................................5 Tipo de flujo en una tubería ....................................................................................................5 Número de Reynolds ...............................................................................................................6 Flujo Laminar ..............................................................................................................................9 Flujo laminar en tuberías .........................................................................................................9 Pérdida por fricción en el flujo laminar .......................................... .......................... .............. 10 Ecuación de Hagen-Poiseuille .......................... .......................... ......................... ................... 10 Flujo Turbulento........................................................................................................................ 11 Flujo turbulento turbulento en tuberías ................................ ..... ........................... .......................... .......................... ............. 11 Pérdida de fricción en el flujo turbulento .................................. .......................... .................. 12 Equipo Utilizado Utilizado ........................................................................................................................... 13 Datos del laboratorio laboratorio ................................................................................................................... 15 Cálculos Cálculos ........................................................................................................................................ 16 Tabla de Resultados ........................ ......................... .......................... ......................... ...... 26 Gráficas Gráficas ........................................................................................................................................ 27 Análisis de Resultados Resultados .................................................................................................................. 28 Material de consulta consulta .................................................................................................................... 30 Anexos Anexos ......................................................................................................................................... 31
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INTRODUCCIÓN En la actualidad, los estudios que realizaron muchos científicos son utilizados actualmente para términos ingenieriles, ya que nos proporcionan las bases necesarias para poder realizar construcciones resistentes a las diversas situaciones que puedan afectar a las mismas. Uno de estos científicos es Osborne Reynolds, que con sus investigaciones científicas cubrió un amplio abanico de fenómenos físicos y de ingeniería, y estableció los fundamentos de muchos trabajos posteriores sobre flujos turbulentos, modelización hidráulica, transferencia de calor y fricción. Entre sus mayores logros figuran sus ensayos de visualización de los flujos laminar y turbulento en conductos, y su análisis sobre los parámetros de dependencia dependencia de la transición a régimen turbulento Un flujo es el movimiento que puede experimentar un fluido. Existen distintos tipos de flujos de un fluido, de los cuales, los más importantes son: el flujo laminar, flujo turbulento y de transición. Éste último, es la zona en donde el flujo pasa de ser laminar, a ser turbulento. Por medio del número de Reynolds es posible determinar en qué rango se encuentra una corriente de flujo. Cuando el gradiente de velocidad es bajo, la fuerza de inercia es mayor que la de fricción, las partículas se desplazan, pero no rotan, o lo hacen, pero con muy poca energía, el resultado final es un movimiento suave, este tipo de flujo fue identificado por O. Reynolds y se denomina “laminar”. Mientras que al aumentar el gradiente de velocidad se
incrementa la fricción entre partículas vecinas al fluido, y estas adquieren una energía de rotación apreciable, la viscosidad pierde su efecto, y debido a la rotación las partículas cambian de trayectoria. trayectoria. Al pasar de unas trayectorias a otras, las partículas partículas chocan entre sí y cambian de rumbo rumbo en forma errática. Éste tipo de flujo se denomina denomina "turbulento". Por medio de la práctica de visualización de flujos, se puede demostrar de mejor manera el comportamiento de los mismo. A un principio el fluido tiende a ser laminar, luego se encuentra en transición y por último se caracteriza por presentar un comportamiento turbulento. Además, con la respectiva toma de datos, se puede calcular el número de Reynolds y el cálculo de las velocidades respectivas para cada caso, teniendo siempre presente el concepto de caudal.
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OBJETIVOS General Observar las características de los regímenes de flujo laminar y turbulento en un conducto, así como la transición entre ambos, reproduciendo el experimento original de Osborne Reynolds y estudiando el efecto de los parámetros de dependencia.
Específicos Determinar el tipo de flujo en una tubería, según los valores del número de Reynolds.
Explicar que factores producen la variación del régimen de flujo en una tubería.
Describir el comportamiento del número de Reynolds en función de la velocidad media del flujo.
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MARCO TEÓRICO
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EQUIPO UTILIZADO Aparato de Reynolds
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2 1 5
4
Numero
Descripción
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Tubería de ensayo acrílico con sección de ensayo aerodinámica Depósito de alimentación de agua Depósito de tinta con válvula Aguja de inyección Válvula de regulación para ajustar el caudal
2 3 4 5
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Instrumento
Nombre
Termómetro
Probeta de 1 litro
Cronómetro
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DATOS DEL LABORATORIO
Experimento No. 1
Volumen Aforado ( ) 250
2
250
3
500
4
500
5
1000
6
1000
Tiempo de llenado (seg)
Temperatura ( ℃ )
12.25 P= 12.245 12.24 8.75 P= 8.89 9.03 14.95 P= 14.885 14.82 11.70 P= 11.635 11.57 16.27 P= 16.31 16.35 13.46 P= 13.52 13.58 Temperatura media = 22
Tabla 1- Datos experimentales de Laboratorio.
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21
Características de flujo observadas LAMINAR
21
LAMINAR
22
TRANSICION
22
TRANSICION
22
TURBULENCIA DESARROLLADA TURBULENCIA TOALMENTE DESARROLLADA
22
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CÁLCULOS o
Determinación del tiempo medio ()
-Experimento No.1 Datos a utilizar: 1 = 12.25 2 = 12.24 Fórmula:
=
+
∶ 1 =
12.25 + 12.24 2
Resultado: = .
-Experimento No.2 Datos a utilizar: 1 = 8.75 2 = 9.03 Fórmula:
=
+
∶ 2 =
8.75 + 9.03
Resultado: = .
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2
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-Experimento No.3 Datos a utilizar: 1 = 14.95 2 = 14.82 Fórmula:
=
+
∶ 3 =
14.95 + 14.82 2
Resultado: = .
-Experimento No.4 Datos a utilizar: 1 = 11.70 2 = 11.51 Fórmula:
=
+
∶ 4 =
11.70 + 11.51
Resultado: = .
-Experimento No.5 Datos a utilizar: 1 = 16.27 2 = 16.35 Fórmula:
=
17
+
2
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∶ 5 =
16.27 + 16.35 2
Resultado: = .
-Experimento No.6 Datos a utilizar: 1 = 13.46 2 = 13.58 Fórmula:
+
=
∶ 6 =
13.46 + 13.58 2
Resultado: = .
o
Determinación del , ( /)
-Experimento No.1 Datos a utilizar: = 250 = 12.245 Fórmula:
=
∶ 1 =
250 12.245
Resultado: = . /
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-Experimento No.2 Datos a utilizar: = 250 = 8.890 Fórmula:
=
∶ 2 =
250 8.890
Resultado: = . /
-Experimento No.3 Datos a utilizar: = 500 = 14.885 Fórmula:
=
∶ 3 =
500 14.885
Resultado: = . /
-Experimento No.4 Datos a utilizar: = 500 = 11.605 Fórmula:
=
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∶ 4 =
500 11.605
Resultado: = . /
-Experimento No.5 Datos a utilizar: = 1000 = 16.310 Fórmula:
=
∶ 5 =
1000 16.310
Resultado: = . / -Experimento No.6 Datos a utilizar: = 1000 = 13.520 Fórmula:
=
∶ 6 =
1000 13.520
Resultado: = . /
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o
Determinación de la velocidad , (/)
-Experimento No.1 Datos a utilizar: 1 = 2.04165×10− / = 0.0002011 Fórmula:
=
∶ 1 =
2.04165×10− / 0.0002011
Resultado: = . /
-Experimento No.2 Datos a utilizar: 2 = 2.8121×10− / = 0.0002011 Fórmula:
=
∶ 2 =
2.8121×10− / 0.0002011
Resultado: = . /
-Experimento No.3 Datos a utilizar: 3 = 3.3591×10− / = 0.0002011
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Fórmula:
=
∶ 3 =
3.3591×10− / 0.0002011
Resultado: = . /
-Experimento No.4 Datos a utilizar: 4 = 4.3085×10− / = 0.0002011 Fórmula:
=
∶ 4 =
4.3085×10− / 0.0002011
Resultado: = . / -Experimento No.5 Datos a utilizar: 5 = 6.1312×10− / = 0.0002011 Fórmula:
=
∶ 5 =
6.1312×10− / 0.0002011
Resultado: = . /
22
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-Experimento No.6 Datos a utilizar: 6 = 7.3965×10− / = 0.0002011 Fórmula:
=
∶ 6 =
7.3965×10− / 0.0002011
Resultado: = . /
o
Número de Reynolds , ()
-Experimento No.1 Datos a utilizar: 1 = 0.1015 / = 0.016 = 0.0002011 = 0.963
×10−
Fórmula:
=
∗ ∗ 0.016 0.00000963
0.1015 ∶ 1 =
Resultado: = .12
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-Experimento No.2 Datos a utilizar: 2 = 0.1399 / = 0.016 = 0.0002011 = 0.963
×10−
Fórmula:
=
∗ ∗ 0.016 0.00000963
0.1399 ∶ 2 =
Resultado: = .
-Experimento No.3 Datos a utilizar: 3 = 0.1671 / = 0.016 = 0.0002011 = 0.963
×10−
Fórmula:
=
∗ ∗ 0.016 0.00000963
0.1671 ∶ 3 =
Resultado: = .
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PRÁCTICA 1 - VISUALIZACIÓN DE FLUJO LAMINAR Y TURBULENTO
-Experimento No.4 Datos a utilizar: 4 = 0.2143 / = 0.016 = 0.0002011 = 0.963
×10−
Fórmula:
=
∗ ∗ 0.016 0.00000963
0.2143 ∶ 4 =
Resultado: = .
-Experimento No.5 Datos a utilizar: 5 = 0.3049 / = 0.016 = 0.0002011 = 0.963
×10−
Fórmula:
=
∗ ∗ 0.016 0.00000963
0.3049 ∶ 5 =
Resultado: = .
25
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-Experimento No.6 Datos a utilizar: 6 = 0.3679 / = 0.016 = 0.0002011 = 0.963
×10−
Fórmula:
=
∗ ∗ 0.016 0.00000963
0.3679 ∶ 6 =
Resultado: = .
TABLA DE RESULTADOS .
( /)
, (/)
ú ,
ó
1 2 3 4 5 6
20.42 28.12 33.59 43.08 61.31 73.96
0.1015 0.1399 0.1671 0.2143 0.3049 0.3679
1687.12 2323.82 2775.78 3560.32 5066.52 6112.05
laminar transición transición transición turbulento turbulento
Tabla 2- Resultados
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GRÁFICAS
Reynolds vs Velocidad media 0.4 0.35 ) s / 0.3 m ( a i 0.25 d e m 0.2 d a d i 0.15 c o l e 0.1 V
0.05 0 0
1000
2000
3000
4000
Número de Reynolds
Gráfica No. 1
27
5000
6000
7000
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ANÁLISIS DE RESULTADOS O CONCLUSIONES Durante la experimentación se observaron los diferentes comportamientos del movimiento que desarrollaron las finas capas de tinta dentro del fluido (agua).
En la primera
experimentación se pudo visualizar que el movimiento de las partículas de tinta fue lineal y constantemente continua; En la segunda, durante el movimiento de las partículas de tinta, se observaron líneas regularmente continuas con pequeñas ondulaciones; En la terce ra, el comportamiento del fluido en base a la tinta se observaban líneas regularmente curvas con pequeñas distorsiones; En la cuarta, se observaba que el movimiento de las partículas del fluido eran líneas totalmente curvas con distorsiones un poco mayores a las anteriores; En la quinta, se observaba que el movimiento de las partículas del fluido formaban remolinos y disipación parcial de la tinta dentro del agua; y en la sexta y última, se observó que el movimiento de las partículas del fluido fue más desordenada y la disipación de la tinta dentro del agua fue casi total. Mediante la tabulación de los datos y el cálculo de resultados, se determinó el respectivo número de Reynolds de cada uno de los experimentos realizados, los cuáles fueron clasificados en base a sus respectivos parámetros. (Ver Tabla No.1). Comparando el cálculo de los resultados con las características visualmente obtenidas durante el experimento; se determina que la ecuación establecida por Reynolds para la clasificación de los diferentes regímenes del flujo es aplicable. La variación del régimen del flujo se produce por diferentes factores; por lo que se debe concretar que se presentará un flujo laminar cuando el fluido se encuentra a una velocidad relativamente baja y posea una viscosidad alta; mientras que el flujo turbulento se desarrollará a velocidades altas o por obstáculos abruptos que se encuentren durante la trayectoria del fluido, despreciando así la viscosidad del mismo.
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En obras de ingeniería, es raro que se presente flujo laminar, debido a que en éstas se presentan diversos accesorios que lo que buscan es mejorar el funcionamiento a través de la instalación por lo que en muchos casos hace que el fluido sea turbulento. Para que un fluido sea lo más homogéneo posible es adecuado que éste se encuentre en régimen laminar, debido a que en éste régimen la velocidad es baja y se presentan menos pérdidas por fricción, las cuales evitan su cambio de fase y hace que sus propiedades sean más estables. Observando la Gráfica No. 1, obtenida de los cálculos efectuados en base a la experimentación, el comportamiento del número de Reynolds varía con respecto a la velocidad, determinando que entre menor velocidad el número de Reynolds será menor, llegando a producir así un régimen de flujo laminar y estableciendo que conforme la velocidad promedio aumente el número de Reynolds también aumentará. En conclusión, los factores que afectan la variación del régimen del flujo, serían la velocidad, el aumento del diámetro de la tubería que por concepto la velocidad dependerá de éste, así como también influyen los diferentes artefactos de unión, accesorios como turbinas o bombas hidráulicas y en algunos casos la viscosidad.
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MATERIAL DE CONSULTA
Bibliografía
Instructivo de Práctica No. 1- Visualización de flujo laminar y turbulento- Laboratorio de Hidráulica, Facultad de Ingeniería, 1er. Semestre de 2017. MOTT, Robert L., MECÁNICA DE FLUIDOS. Sexta Edición. Pearson Educación, México, 2006. WHITE, Frank M., MECÁNICA DE FLUIDOS. Quinta Edición. McGrawHill/Interamericana de España, S.A.U., 2004. CENGEL, Yunus A., CIMBALA, John M., MECÁNICA DE FLUIDOS: Fundamentos y aplicaciones. Primera Edición. McGraw-Hill/Interamericana de España, 2006.
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ANEXOS
Equipo a utilizar
Desarrollo de la práctica
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