C902 Capa Limite

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica Programa Vespertino de Prosecución de Estudios Ingeniería Civil En Mecánica

INGENIERIA CIVIL EN MECANICA GUIA DE LABORATORIO

ASIGNATURA MECANICA DE FLUIDOS II CODIGO 9513 NIVEL 3 EXPERIENCIA C902 “ESTUDIO DE DESARROLLO DE CAPA LIMITE" LIMITE"

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica Programa Vespertino de Prosecución de Estudios Ingeniería Civil En Mecánica OBJETIVO GENERAL

Introducir al estudiante en el conocimiento del fenómeno de capa límite hidrodinámica a fin de comprender la importancia de este fenómeno dentro del contexto de la mecánica de fluidos, hidráulica, aerodinámica y transferencia de calor.

1. OBJETIVOS ESPECIFICOS 1.1 Medir el espesor de capa límite laminar y turbulenta. 1.2 Evaluar coeficientes de corte y fricción a lo largo de una placa plana. Comparar teoría con experimentos. 1.3 Con el último perfil de velocidad (PV 5) compruebe la veracidad de la forma del perfil de velocidad de la séptima potencia.

2. INTRODUCCION TEORICA 2.1

Definición Capa límite: es la zona de un flujo de fluido perturbado por la presencia de una pared sólida. y

U0

Corriente libre

Frontera = Lugar geométrico de todos los puntos que cumplen con u/U 0 = 0.99 u = 0.99 U 0

U0

x, u PV

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica Programa Vespertino de Prosecución de Estudios Ingeniería Civil En Mecánica 2.2

Espesor de Capa Límite Es la distancia que existe entre la pared que guía al flujo y la frontera.

y Capa límite turbulenta Capa límite laminar 

Frontera

Transición

t 

l

U0

’

x, u xl xt l t ’



2.3

= espesor de capa límite laminar. = espesor de capa límite turbulenta. = espesor de la subcapa laminar.

Número de Reynolds

Rex 

U0 x  

 para pared plana

Capa límite laminar Capa límite turbulenta

Re x  2105 Re x  5105

2.4.- Capa Límite Laminar Ecuaciones de Prandtl

1 P u u  2u u v      2 x y    x y

u v   0 x y

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica Programa Vespertino de Prosecución de Estudios Ingeniería Civil En Mecánica La transformada de esta ecuación es f

'''



1 '' f f   0 2



Solución de Blasius

espesor

 l 

x



P  0 x

4.9 Re x 1/ 2

2.41.- Coeficiente de Corte

 0x 

0.664 Re x 1/ 2

 

U02 2

2.42.- Coeficiente de Fricción c f 



x

0.664 Re x 1/ 2

2.5.- Capa Límite Turbulenta espesor

 t 

x



0.376 Re x 1/ 5

2.51.- Coeficiente de Corte 1/ 5

 0x

U02      0.02885     2  U0 x  

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica Programa Vespertino de Prosecución de Estudios Ingeniería Civil En Mecánica 2.52.- Coeficiente de Fricción c f 

x



0.0577 Re x 1/ 5

Para paredes rugosas existe un gráfico idéntico al de Moody.

Cf 

 e / L Turbulencia

Laminar 

ReL

METODO A SEGUIR

-

Montar placa plana con tubos de Pitot en el túnel de prueba.

-

Fijar una velocidad U o máxima.

-

Luego posicionar la batería de tubos de Pitot en PV 1, (la mas cercana al borde de ataque). Los PV son perfiles de velocidades medidos con la batería o conjuntos de Pitot.

-

Se mide: hs = altura estática desde el Pitot lateral. Las alturas totales (h) del conjunto de Pitots se miden separadamente.

  w    hs  h   se calculan las velocidades puntuales.   a 

-

Con la fórmula u 

-

Se dibujan los perfiles de velocidad (PV 1, PV2,…..)

2g 

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Se unen los puntos

u  0.99  para determinar la frontera de la capa límite con lo cual quedan, u0

determinados experimentalmente los espesores la turbulenta.

l de

la capa límite laminar y

t correspondiente

a

VARIABLE A CONSIDERAR Las variables son: x

= posición de los puntos de estancamiento de los Pitot respecto al borde de ataque de la placa. hs = altura de presión estática del flujo. h = altura dinámica total en cada rama del Pitot. Pa  = presión atmosférica. Ta = temperatura ambiente. Uo = velocidad del flujo.

TEMAS DE INTERROGACION -

Definición de capa límite. Ecuaciones de Prandtl y Blasius. Método de solución de Howarth. Cálculo con aplicaciones de las fórmulas explícitas.

EQUIPOS E INSTRUMENTOS Se utilizan los siguientes equipos:

-  -  - 

Túnel de viento. Placa plana para mediciones. Tubos de Pitot. Velocímetro. Barómetro. Termómetro.

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LO QUE SE PIDE EN EL INFORME 1. Dibujar los perfiles de velocidad (PV) en un gráfico y  – u. 2. Encontrar los puntos

u  0.99  y trazar la curva respectiva. u0

3. Verificar las curvas dadas por - Flujo laminar

  

4.96 Re x 1/ 2

- Flujo turbulento

  

0.378 Re x 1/ 5

4. Calcular y hacer los gráficos respectivos de esfuerzo de corte y coeficiente de fricción en la pared ambos en función de x. 5. Observaciones y conclusiones. 6. Referencias bibliográficas. 7.  Apéndice que incluya un ejemplo de cálculo. Bibliografía

- Teoría de la Capa Límite, Schlichting. - Texto de mecánica de fluidos.