Laboratorio N°01_Experiencia de Osborne Reynolds - copia

UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO FACULT ACULTAD DE INGENIER INGE NIERÍA ÍA CIVIL, CIVI L, SISTEMAS Y ARQUITECTURA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

CURSO

MECÁNICA DE FLUIDOS II

PRÁCTICA DE LABORATORIO N°01 EXPERIENCIA EXPERIENCIA DE OSBORNE REYNOLDS

FECHA DE ENTREGA DE TRABAJO 13 – 09 – 10

Mecánica de Fluidos II

Experiencia de Osborne Reynolds

INTRODUCCIÓN El comportamiento de los fuidos es importante para los procesos de Ingeniería. La primera dierenciación de los fujos, ue experimentada por el proesor Osborne Reynolds, en 1883. El sistema consistió en un tanque lleno de agua, en el cual se sumergió un tuo de !idrio. "ediante una !#l!ula dispuesta en dic$o tuo, se puede $acer circular un fujo controlado de esta agua colorada, la que procede de una !asija dispuesta en la parte superior del estanque. El proesor %e&nolds oser!ó que a ajas !elocidades no se producían me'clas trans!ersales en el fujo, por lo cual este c$orro de agua colorada circulaa intacto a lo largo de todo el tuo. El comportamiento del c$orro, era en líneas paralelas al tuo, por lo que se dedujo el Flujo laminar. (or otra parte, al aumentar la !elocidad del fujo se alcan'aa un cierto punto crítico de !elocidad, para la cual la línea colorada se diundía a tra!)s de todo el tuo, desapareciendo como tal* este comportamiento del fuido, indicó que el agua a$ora circulaa al a'ar, originando corrientes trans!ersales & torellinos, este mo!imiento del fuido se conoce como Flujo Turbulento.


1.


OBJETIO! 1.1

Objeti"o #eneral

+ser!ar las características de los regímenes de fujo laminar & turulento en un conducto, así como la transición entre amos, reproduciendo el experimento de +sorne %e&nolds.

1.$ -

Objeti"os es%e&'(&os

eterminar cualitati!amente el tipo de fujo de un fuido & compararlo con los respecti!os !alores teóricos.

-

$.

-allar el nmero de %e&nolds para cada caudal.

FUND)*ENTO TEÓRICO /uando un líquido fu&e en un tuo & su !elocidad es aja, fu&e

en líneas paralelas a lo largo del eje del tuo* a este r)gimen se le conoce como fujo laminar. /onorme aumenta la !elocidad & se alcan'a la llamada !elocidad crítica, el fujo se dispersa $asta que adquiere un mo!imiento de torellino en el que se orman corrientes cru'adas & remolinos* a este r)gimen se le conoce como fujo turulento 0!er la igura 2.1. El paso de r)gimen laminar a turulento no es inmediato, sino que existe un comportamiento intermedio inde4nido que se conoce como r)gimen de transición.

Fi#ura $.1. Re#'menes de +ujo. 5i se in&ecta una corriente mu& 4na de algn líquido colorido en una tuería transparente que contiene otro fuido incoloro, se pueden oser!ar los di!ersos comportamientos del líquido conorme !aría la !elocidad 0!)ase la igura 2.2. Ingeniería Civil

3



/uando el fuido se encuentra dentro del r)gimen laminar 0!elocidades

ajas,

el

colorante

aparece

como

una

línea

perectamente de4nida 0igura 2.1, cuando se encuentra dentro de la 'ona de transición 0!elocidades medias, el colorante se !a dispersando a lo largo de la tuería 0igura 2.2 & cuando se encuentra en el r)gimen turulento 0!elocidades altas el colorante se diunde a tra!)s de toda la corriente 0igura 2.3. Las cur!as típicas de la distriución de !elocidades a tra!)s de tuerías se muestran en la igura 2.3. (ara el fujo laminar, la cur!a de !elocidad en relación con la distancia de las paredes es una par#ola & la !elocidad promedio es exactamente la mitad de la !elocidad m#xima. (ara el fujo turulento la cur!a de distriución de !elocidades es m#s plana 0tipo pistón & el ma&or camio de !elocidades ocurre en la 'ona m#s cercana a la pared.

Fi#ura $.$. Com%ortamiento del l',uido a di-erentes "elo&idades.

Fi#ura $.. Distribu&iones t'%i&as de "elo&idad.

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Los dierentes regímenes de fujo & la asignación de !alores num)ricos de cada uno ueron reportados por primera !e' por +sorne %e&nolds en 1883. %e&nolds oser!ó que el tipo de fujo adquirido por un líquido que fu&e dentro de una tuería depende de la !elocidad del líquido, el di#metro de la tuería & de algunas propiedades ísicas del fuido. 6sí, el nmero de %e&nolds es un nmero adimensional que relaciona las propiedades ísicas del fuido, su !elocidad & la geometría del ducto por el que fu&e & est# dado por7 Re

× D ×v ρ

=

=

µ

D v×

ν

donde7 %e  9mero de %e&nolds   i#metro del ducto !  :elocidad promedio del líquido ρ

 ensidad del líquido µ

 :iscosidad del líquido ν

 :iscosidad cinem#tica del líquido ;eneralmente cuando el nmero de %e&nolds se encuentra por deajo de 23<< se sae que el fujo es laminar, el inter!alo entre 23<< & =<<< se considera como fujo de transición & para !alores ma&ores de =<<< se considera como fujo turulento. Este grupo adimensional es uno de los par#metros m#s utili'ados en los di!ersos campos de la Ingeniería /i!il en los que se presentan fuidos en mo!imiento.

. *ETODO/O0) .1 isuali2a&i3n de los di-erentes re#'menes de +ujo.

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La primera parte de la pr#ctica consiste en la !isuali'ación de los dierentes regímenes de fujo que experimenta el agua que circula por el tuo de !idrio del dispositi!o experimental "E <>. (ara ello, es necesario estalecer una !elocidad de circulación del agua en el experimento, o lo que es lo mismo estalecer un caudal de agua circulante. 5e dispone de una !#l!ula cu&a ma&or o menor apertura permite controlar el caudal de agua circulante por la instalación. ee comen'arse con un caudal lo m#s ajo posile & se !a aumentando el caudal poco a poco. (ara cada uno de los caudales, cuando el fujo se estailice, se in&ecta el colorante del depósito peque?o en el depósito grande a tra!)s de la oquilla, & se oser!an en el tuo de !idrio las ormas que se desarrollan.

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Fi#. .1. E,ui%o F*E 456 Demostra&i3n de Osborne Reynolds. .$

Determina&i3n del n7mero de Reynolds "ediante el termómetro introducido en el depósito lleno de

agua, se determinar# la temperatura del agua que circula por la instalación, & suponiendo que se mantiene constante, se estalecer# la !iscosidad cinem#tica del agua que se emplear# a lo largo del experimento, a partir de los datos de la @ala I en 6nexos. (ara cada caudal de agua circulante por la instalación deer# determinarse la !elocidad del agua en el tuo de !idrio, teniendo en cuenta que el di#metro del mismo es de 1< mm. 6 continuación se otendr# el nmero de %e&nolds. el !alor otenido para el nmero de %e&nolds, podr# indicarse el r)gimen de fujo que correspondería al caudal circulante. 5e $ar# de !eri4car que coincide con el r)gimen oser!ado en el ensa&o, segn las propiedades mostradas por el $ilo de colorante.

.

8ro&edimiento e9%erimental

a. Llenar el depósito con colorante. /olocar el aparato sore el canal

del

Aanco -idr#ulico

& conectar su

tuería

de

alimentación a la impulsión del Aanco.

b. Aajar el in&ector. "ediante el tornillo, $asta colocarlo a ni!el de la toera de entrada al tuo de !isuali'ación de fujo, cerrar la !#l!ula de control de fujo.

&. El tuo de salida del reosadero deer# introducirse en el ali!iadero del Aanco. (oner en marc$a la oma & llenar lentamente el depósito $asta alcan'ar el ni!el del reosadero* despu)s cerrar la !#l!ula de control del Aanco $idr#ulico & la de la oma. Ingeniería Civil

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d. 6rir & cerrar la !#l!ula de control de fujo, para purgar el tuo de !isuali'ación. ejar que se remanse completamente el líquido en el aparato dejando pasar a lo menos die' minutos antes de proceder al experimento.

e. "edir la temperatura del agua. (oner en marc$a la oma & arir cuidadosamente la !#l!ula de control del Aanco $asta que el agua salga por el reosadero. 6rir parcialmente la !#l!ula de control & ajustar la !#l!ula de in&ección de colorante $asta conseguir una corriente lenta con colorante.

-. "ientras el fujo del agua sea lento, el colorante tra'a una línea en el centro del tuo de !isuali'ación. Incrementando el fujo, ariendo progresi!amente la !#l!ula de control,

Ir#n

apareciendo alteraciones $asta que 4nalmente el colorante se dispersa completamente en el agua.

#. (ara oser!ar el per4l de la distriución de !elocidades el depósito estar# necesariamente aierto permitiendo que el colorante caiga a gota en el tuo de !isuali'ación. /uando la !#l!ula de control est# aierta, en r)gimen laminar la gota adopta un per4l de paraoloide.

:. RE!U/T)DO! E;8ERI*ENT)/E!

Di <.<1

Ingeniería Civil

is&osida d =m@$As> 1.<33D1< <.<<< ?rea =m@$>

8



R#ime n "isuali2 ado

olumen de a#ua =ml>

Tiem %o =s>

Laminar

1><

33.8

2=<

1=.1

=22

12.C

C1<

G.3

>8C

8.C

8<<

B.=

BB<

>

C8C

=.2

@ransicio nal @ransicio nal @urulent o @urulent o @urulent o @urulent o @urulent o

Caudal =m@As> <.<<<<<= B <.<<<<1B < <.<<<<33 8 <.<<< <.<<<1<8 1 <.<<<128 3 <.<<<13G 3

elo&id ad =mAs>

N7mero de Reynolds

<.<>

C83.=>

<.22

2
<.=3

=1>1.1=

<.B<

>BCG.23

1.<3

GG33.<2

1.38

1332C.<3

1.>3

1C81B.G2

1.BB

1B1>B.8B

Ti%o de +ujo Laminar Laminar @urulento @urulento @urulento @urulento @urulento @urulento

Caudal "s Reynolds 2<<<<.<< 18<<<.<< 1><<<.<< 1=<<<.<< 12<<<.<< 1<<<<.<< 8<<<.<< N7mero de Reynolds =Re> ><<<.<< =<<<.<< 2<<<.<< <.<<

1B1>B.8B 1C81B.G2 1332C.<3 GG33.<2 >BCG.23 =1>1.1= 2

/audal !s %e&nolds Linear 0/audal !s %e&nolds

Caudal =>

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. CONC/U!IONE! Hna !e' anali'ados los resultados es posile a4rmar que son satisactorios, puesto que en la ma&oría de los casos, el r)gimen de fujo otenido experimentalmente coincide con el esperado. Incluso en un par de ocasiones ue posile otener !alores cercanos a la rontera. /ae recordar que durante la experimentación se 4jó un fujo al a'ar, que deía estar dentro del r)gimen deseado. Los resultados otenidos coinciden con las oser!aciones reali'adas durante la pr#ctica, donde una delgada línea de permanganato de potasio en el tuo denotaa un fujo laminar, mientras que !órtices de permanganato de potasio indicaan un r)gimen turulento. /omo era de esperarse, al aumentar la !elocidad de fujo se pasa de un r)gimen laminar a uno turulento, & como consecuencia aumenta el nmero de %e&nolds & se oser!a la ormación de !órtices. La comprensión de los eectos de fujo en el r)gimen de fujo es sumamente importante. El nmero de %e&nolds es qui'#s el nmero adimensional

m#s utili'ado en c#lculos de

ingeniería

& su

comprensión adecuada resulta undamental. Los ojeti!os ueron satisec$os, pues no solo se otu!ieron resultados adecuados, sino que se comprendió adecuadamente la relación de la !elocidad con el r)gimen de fujo & los eectos en el nmero de %e&nolds. inalmente, cae resaltar que la !ariación en la !isuali'ación del fujo durante la pr#ctica & los !alores teóricos correspondientes, son deido a los errores experimentales presentes en todo ensa&o del laoratorio.

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BIB/IO0R)F)  /INO0R)F) 

Hni!ersidad @ecnológica "etropolitana. acultad de Ingeniería. epartamento de "ec#nica. Guías de Laboa!o"o# $e%&'"%a de F(u"dos. 5antiago, "ar'o 2<<8.



Hni!ersidad de +!iedo. epartamento de Energía. rea de "ec#nica de luidos. P&%!"%as de $e%&'"%a de F(u"dos. Espa?a, 2<


Hni!ersidad

Ieroamericana.

Laoratorio

de

+peraciones

Hnitarias. N)*eo de Re+'o(ds. ")xico, "ar'o 2<<8. 

Hni!ersidad %aael Landi!ar. acultad de Ingeniería. Laoratorio de "ec#nica de luidos. De*os!a%",' de( e-.e"*e'!o de Osbo'e Re+'o(ds. ;uatemala, Enero 2<<3.



Hni!ersidad de los 6ndes. acultad de Ingeniería. Escuela de /i!il.

epartamento de

-idr#ulica

&

5anitaria.

;uía

de

Laoratorio, "ec#nica de luidos I. ")rida, :ene'uela. Enero 2<
EIA+9. Laboa!o"o I'!e/ado de $e%&'"%a de F(u"dos B&s"%a Edion International.

)NE;O!

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Tabla I. alores de la "is&osidad &inem
I!CO!ID)D CINE*)TIC)6 =mHAs>

0 3 7 8 5 9 10 13 17 18 15 19 30 33 37 38 35 39 60 63 67 68 65 69 70 80 50 58 0 90 20 100

1#23 - 1045 1#56 - 1045 1#85 - 1045 1#830 - 1045 1#76 - 1045 1# 956 - 1045 1# 609 - 1045 1# 36 - 1045 1# 13 - 1045 1# 173 - 1045 1# 113 - 1045 1#082 - 1045 1#00 - 1045 0#250 - 1045 0#21 - 1045 0#92 - 1045 0#95 - 1045 0#962 - 1045 0#907 - 1045 0#3 - 1045 0#71 - 1045 0#3 - 1045 0#16 - 1045 0#59 - 1045 0#551 - 1045 0#885 - 1045 0#79 - 1045 0#773 - 1045 0#715 - 1045 0#65 - 1045 0#639 - 1045 0#325 - 1045

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