PRACTICA N°8: DEMOSTRACIÓN OSBORNE REYNOLDS
INTEGRANTES: SILVIA CAMILA VEGA VILLAMIZAR 2151942 WILMAR ALEXANDER MARTINEZ 2112196 ANGIE DAYANNA DAYANNA MARIN COD. 2141769 2141769
FECHA REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA: 13-ABRIL-2018 FECHA DE ENTREGA: 20-ABRIL-2018
PRESENTADO A CRISTIAN LOZADA
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL LABORATORIO MECANICA DE FLUIDOS BUCARAMANGA 2018 1
1. ABSTRACT
El contenido del presente informe está compuesto por el análisis y tratamiento de datos de la práctica número ocho llamada Demostración de Osborne Reynolds. En este mismo se observará el comportamiento de los flujos para el régimen laminar y turbulento. Para el debido desarrollo de la actividad se utilizará el equipo F1-20 y banco hidráulico, por medio de una válvula se tendrá control del flujo primero se inducirá un flujo lento y se medirá el caudal volumétrico con cronometro se observará el perfil de velocidad de una gota de colorante a través del tubo. A lo largo del desarrollo del experimento se busca mantener un régimen de flujo determinado, para ello se tomarán distintos caudales con el fin de determinar los patrones de flujo. Después de dicho procedimiento se proceden a realizar el respectivo análisis y conclusiones del experimento desarrollado. 3. INTRODUCCIÓN
3.1 DESCRIPCIÓN En esta práctica se continúa analizando el comportamiento dinámico de los fluidos y relaciones con algunos sistemas que se emplean. Para el desarrollo de este laboratorio es necesario tener en claro los conocimientos del número de Reynolds, así como los rangos de este mismo para los tipos de regímenes. En estos sistemas se es necesario conocer las fuerzas que experimenta el fluido en movimiento, como las fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas, ya que estos mismos hacen parte de instalaciones públicas como canales y tuberías donde estas fuerzas pueden generar cambios por lo cual pueden ser aprovechadas. Pero como se ha dicho anteriormente hablemos un poco de Osborne Reynolds, quién fue un ingeniero y físico irlandés que realizó grandes contribuciones en los campos de la hidrodinámica y la dinámica de fluidos. Su trabajo más notable fue la introducción al Número de Reynolds en 1883.Reynolds estudió las condiciones en las que el flujo en el interior de una tubería pasaba de régimen laminar a turbulento. El fruto de sus estudios se le llamó número de Reynolds, que es una razón entre las fuerzas mencionadas anteriormente. La demostración de Osborne Reynolds busca de manera visual obtener las condiciones de flujo laminar y turbulento donde luego se comparará con cálculos realizados. Además, con la ayuda de los equipos F-20 y banco hidráulico se desarrollará este laboratorio tomando los respectivos datos obtenidos con lo visto en forma práctica. 3.2 PROCEDIMIENTO
Imagen 1. Equipo F-20, montaje de laboratorio inicial. Regímen laminar.
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El primer paso, antes de iniciar con lo respectivo a la práctica, se procede a revisar los materiales a emplear en este laboratorio. Después, de revisado se nivela el equipo con la ayuda del nivel de burbuja. Continuamente, se procede revisar las conexiones del banco hidráulico con F-20 y se abre la válvula de paso del banco. Se puede observar que se empieza a llenar el cilindro que contiene las bolas de vidrio con agua. Seguidamente, se abre el paso a la tinta con la ayuda de una llave inglesa. Se debe de tener en cuenta que hay que tener cierto cuidado y no dejar sobre pasar cierto nivel en el cilindro ya que podría brotar agua de la parte superior. Después, se procede a abrir la válvula conectada a una manguera, estas pertenecen al equipo F-20. Seguidamente, se ajusta el caudal de tal forma que se pueda observar una línea de tinta a lo largo del tubo como se muestra en la figura 1. Cuando se encuentra en estas condiciones el régimen es laminar, por lo tanto, se procede a la medición del caudal. Se tomarán tres mediciones de cuánto tiempo se demora en llenar cierto volumen de fluidos y se procede a registrarlos en la tabla de datos. Después, se abre de nuevo la válvula tal que en esta ocasión la tinta se mezcle homogéneamente con el fluido y se realizará el procedimiento de la toma de caudal mencionado anteriormente. Continuamente, se registra estos valores en la tabla de datos. Se repetirán los pasos anteriores, dos veces más para las dos clases de regímenes usadas anteriormente. Todos los datos en los procedimientos se deberán anexar en la hoja de datos para su respectivo análisis.
Imagen 2 Equipo F-20, montaje de laboratorio para Regímen turbulento.
3.3 OBJETIVOS
Comprobar experimentalmente el tipo de flujo con el número de Reynolds. Tomar un caudal promedio con la ayuda de las herramientas de laboratorio. Comparar el valor de los resultados obtenidos en el laboratorio con los teóricos hallando el porcentaje de error. Visualizar los distintos tipos de regímenes (Turbulento y laminar). Comprender y estudiar los efectos que generan las fuerzas con respecto al cambio del caudal.
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3.4 MARCO TEÓRICO NÚMERO DE REYNOLDS.
A partir del número de Reynolds es posible caracterizar la naturaleza de un flujo, es decir, clasificarlo de acuerdo a ciertos parámetros, como lo puede ser flujo laminar, flujo transicional y flujo turbulento, así mismo, resalta la importancia en la tendencia e un flujo hacia su clasificación como flujo turbulento en comparación con un flujo laminar y la posición del mismo, referenciado bajo una longitud determinada. Reynolds en 1874, caracterizó la naturaleza de flujo de los fluidos de forma pragmática, y consistía en la inyección de tinta dentro de un líquido que fluía por una tubería. Se observaba que, a bajas velocidades, las líneas de flujo del fluido se desorganizaban y la tinta se dispersaba rápidamente después de su inyección.
Imagen 3 Ensayo Número de Reynolds.
Así mismo se considera el flujo lineal, como flujo laminar, y el flujo errático como flujo turbulento, este se obtiene a mayores velocidades. Las características condicionantes del flujo laminar dependen estrictamente de las propiedades del líquido así mismo como las propiedades del flujo. A medida que aumenta el flujo másico aumentan las fuerzas del momento o inercia. Estas son contrarrestadas por la fricción o en dado caso las fuerzas viscosas dentro del líquido el cual fluye. El instante en el que dichas fuerzas opuestas alcanzan en cierto término el equilibrio, a causa de dicho comportamiento, se generan cambios en las características propias del flujo. Debido a los estudios hechos por Reynolds, se llegó a la conclusión que las fuerzas del momento se encuentran en función del diámetro de tubería, la densidad y la velocidad media. Así mismo advierta que la fuerza viscosa, o en su defecto también llamada fricción, dependen específicamente de la viscosidad del líquido. 4
Por consiguiente, y bajo los preceptos anteriormente mencionados, el número de Reynolds se definió como la razón entre las fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas Tenga en cuenta que el número de Reynolds es adimensional y es útil en la caracterización de flujos dentro de una tubería. Así, el número de Reynolds da un indicio de la pérdida de energía a causa de los efectos ocasionados por las fuerzas viscosas presentes. Por lo que se presenta una estrecha relación entre las fuerzas viscosas y el número de Reynolds, e indica que en la medida en que las fuerzas viscosas poseen un efecto dominante sobre la pérdida de energía, el número de Reynolds es pequeño y el flujo se clasifica como flujo laminar. Debido a estos estudios, se determinó como flujo laminar, aquel en el que el número de Reynolds sea menor o igual a 2 100, así un número de Reynolds mayor a 10 000 las fuerzas viscosas inciden frágilmente sobre la energía, por lo que se denota al flujo como turbulento.
FLUJO LAMINAR
Debido a las consideraciones en cuanto al flujo másico, se observa que gracias a la ecuación dada se calcula el perfil de velocidad que se ajuste. Para valores de Re<2300, el flujo se mantiene casi que estacionario y se comporta como si estuviera formado por láminas delgadas , que en efecto interactúan a esfuerzos tangenciales.
Imagen 4 Flujo laminar.
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FLUJO TRANSICIONAL
Para valores de 2300
Imagen 5 Flujo transicional.
FLUJO TURBULENTO
Para valores de Re>4000 se observa después de un tramo inicial que el flujo se dispersa hasta adquirir el movimiento de un torbellino en el que se aprecia la forma de corrientes cruzadas y remolinos, y así mismo se observa que el colorante tiende a expandirse por todo el flujo.
Imagen 6 Flujo turbulento..
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4. ANÁLISIS DE DATOS
MEDI CION
CAUDAL[ m^3/s]
VELOCIDA D[m/s]
TEMPERAT URA[°C]
VISCOCIDAD CINEMATIC A[m^2/s]
VISCOCIDAD ABSOLUTA[K g/(m*s)]
NUME RO DE REYNO LDS
REGÍME N DE FLUJO
1
2,28198E06
0,0290551 35
24
0,918
0,000911
318,93 67216
LAMINA R
2
5,24586E06
0,0667923 9
24
0,918
0,000911
733,17 66204
LAMINA R
3
4,23253E05
0,5389020 86
24
0,918
0,000911
5915,5 00391
TURBUL ENTO
4
2,35664E05
0,3000564 37
24
0,918
0,000911
3293,7 04029
TRANSI CION
Tabla 1 Análisis de datosl.
Cálculo tipo = ∗ = 2,28198 − 06 = = 0,029055135[/] 7,85398 − 05
=
∗ ∗ 0,01
1 ∗ 0,029055135 ∗ 0,01 = = 318,9367216 0,000911
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VARIACIÓN DEL NÚMERO DE REYNOLDS CON RESPECTO A LA
VARIACIÓN DEL NÚMERO DE REYNOLDS CON RESPECTO AL CAUDAL 10000 S D L O 5000 N Y E R 0 E D 0 O R E M Ú
…
10000 S D 5000 L O 0 N Y E 0 R E D O R
y = 1E+08x - 8E-13
0.000010.000020.000030.000040.00005
CAUDAL[m^3/s]
Imag en 7 Re vs Q.
y = 10977x 0.2
0.4
0.6
VELOCIDAD[m/s]
Imag en 8 Re vs V.
PREGUNTAS
De acuerdo al registro fotográfico y correspondientes números de Reynolds calculados, ¿son consistentes los resultados con la clasificación de flujo mostrada en el marco teórico?, de no ser consistentes, ¿a qué cree que se deba este hecho?
Son consistentes los resultados obtenidos en la clasificación del flujo, se pudieron obtener valores acordes al flujo observado a pesar de que en el flujo transicional no puede ser identificado con veracidad.
¿Cómo varia el número de Reynolds con el aumento del caudal?
Al aumentar el caudal y la velocidad de flujo se aumenta el número de Reynolds por que el régimen del flujo varia de laminar a transicional y final mente pasa a ser un flujo turbulento, esta variación se pudo observar tanto de manera visual como teórica.
¿Qué formas tienen los perfiles de velocidad observados en el tubo de visualización?, ¿A qué se debe esta forma en el perfil de velocidad?
La tinta presenta una forma lineal en el caso del flujo laminar, una forma distorsionada en el flujo transicional y al cambiar a flujo turbulento la tinta no puede ser apreciada, estos cambios se deben al cambio en la velocidad del flujo que al ser alterada de menor a mayor velocidad presenta dichos cambios.
¿Qué aplicación en la ingeniería civil tiene el fenómeno estudiado?
La aplicación en la ingeniería civil, el número de Reynolds puede ser utilizado para determinar el esfuerzo que soporta una tubería y para calcular la cantidad de energía perdida debido a la fricción en el sistema. 8
5.
OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES
Los valores obtenidos en el proceso de observación, los cuales fueron clasificados a priori en: flujo laminar, flujo turbulento y flujo de transición. Se concluye que se aproximan a los valores teóricos que se calcularon posteriormente, En cuanto a la información entregada por los gráficos podemos concluir existen una relación creciente del número de Reynolds con la velocidad media, en cambio la relación es decreciente entre el número de Reynolds y el factor de fricción. •
Al aumentar la velocidad del fluido y el caudal, las fuerzas inerciales son mayores a las fuerzas viscosas. Por lo tanto, el régimen laminar pasa a ser a uno turbulento, en consecuencia, aumenta el número de Reynolds y se observa las fluctuaciones de las partículas del fluido. Mientras que, si el número de Reynolds tiene un valor pequeño, las fuerzas viscosas son capaces de anular las fluctuaciones y mantener el flujo en línea, es decir, es un flujo laminar. •
El número de Reynolds es de gran utilidad, ya que relaciona la densidad, viscosidad, velocidad y dimensión típica de un flujo en una expresión adimensional y esta puede intervenir en numerosos problemas relacionados con fluidos tanto para determinar el fluido y a partir de él, sacar determinaciones necesarias para resolver problemas de ingeniería relacionados con fluidos •
El régimen de flujo obtenido experimentalmente coincide con el esperado. Incluso en varias ocasiones fue posible obtener valores cercanos a la frontera. Cabe recordar que durante la experimentación se fijó un flujo al azar, que debía estar dentro del régimen del flujo laminar. •
El flujo laminar tiene una velocidad baja y es por esto que se observa una línea delgada de color azul baja por el perfil de tubo, mientras que en el flujo turbulento no se puede observar la línea de color azul porque la velocidad es alta y esta trata de esparcir el color. •
6. MATRIZ DE PARTICIPACIÓN INTEGRANTES
PARTICIPACION
SILVIA CAMILA VEGA VILLAMIZAR WILMAR ALEXANDER MARTINEZ ANGIE DAYANNA MARIN
33.33% 33.33% 33.33%
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7. BIBLIOGRAFÍA.
[1] http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/djean/index_archivos/Documentos/MF2_Hidrostatica [2] http://www.academia.edu/7623423/39921997-Mecanica-de-fluidos-Fuerzas-sobresuperficies-planas [3] http://aulaweb.etsii.upm.es/webaula/documentos/asg5024/documentos/PracticasMFI.pdf [4] Y.A Cengel y J. M. Cimbala, Mecánica de fluidos: fundamentos y aplicaciones , 5° ed., Nueva York: McGraw-Hill, 2006. [5].
Mott Robert, Mecanica de Fluidos , sexta edicion, Mexico: Pearson, 2006.
[6].
Domingo. A.M, Apuntes de Mecánica de fluidos. España: Copyright, 1997.
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