ING. EN ENERGIA II
NEIL VELASQUEZ
PRACTICA DE LABORATORIO CUBA DE REYNOLDS I.INTRODUCCION Una de las constantes preocupaciones de los ingenieros es la predicción, conocimiento mane!o del "u!o de los "uidos para adecuarlos al tipo de operación re#uerido. Esto re#uiere #ue los patrones de "u!o sean esta$les o inesta$les en el tiempo, lo l o #ue lle%a al mismo tiempo a instruir so$re tipos de "u!os& 'Laminar( o ')ur$ulento(. La ra*ón por la cual el "u!o puede ser laminar o tur$ulento tiene #ue %er lo #ue sucede ante una alteración pe#ue+a de "u!o, esto es una pertur$ación al %ector %elocidad, segn esto, cuando una pertur$ación a-ecta a una partcula, esta tiene dos alternati%as& Incrementar solo en el sentido del "u!o, en este caso se dice #ue el patrón de "u!o al #ue pertenece la partcula es laminar por cuanto no e/iste componentes en la dirección trans%ersal #ue 0aga #ue las partculas se me*cle con las colindantes1 si la pertur$ación a-ecta al %ector %elocidad de modo #ue tenga un componente normal a la dirección del "u!o, la partcula ine%ita$lemente se me*clar2 con el resto del "uido denomin2ndose entonces a este tipo de "u!o '"u!o tur$ulento(.
II.OBJETIVOS El o$!eti%o principal de esta e/periencia es la %isuali*ación de "u!os en di-erentes regmenes de escurrimiento, di-erenciando el "u!o laminar 3"u!o ordenado, lento4 del "u!o tur$ulento 3"u!o desordenado, r2pido4.
5emostrar #ue cual#uier "u!o necesariamente depende de tres par2metros para de6nir su correspondiente, estos son& la %elocidad, longitud geom7trica caracterstica #ue en el caso de tu$era puede ser un di2metro, su %iscosidad cinem2tica #ue a su %e* depende de la temperatura. Una ci-ra adimensional #ue rene estos tres par2metros es el 'N8 de Renolds(.
III. FUNDAMENTO TEÓRICO DEFINICIÓN DE FLUIDO Un "uido es una sustancia #ue cede inmediatamente a cual#uier -uer*a tendente a alterar su -orma, con lo #ue "ue se adapta a la -orma del recipiente. Los "uidos pueden ser l#uidos o gases. Las partculas #ue componen un l#uido no est2n r gidamente ad0eridas entre s, pero est2n m2s unidas #ue las de un gas. El %olumen de un l#uido contenido en un recipiente 0erm7tico permanece constante, UNS
9
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el l#uido tiene una super6cie lmite de6nida. En contraste, un gas no tiene lmite natural, se e/pande di-unde en el aire disminuendo su densidad. A %eces resulta di-cil distinguir entre sólidos "uidos, por#ue los sólidos pueden "uir mu lentamente cuando est2n sometidos a presión, como ocurre por e!emplo en los glaciares.
CAUDAL Es la cantidad de "uido #ue pasa en una unidad de tiempo. Normalmente se identi6ca con el "u!o %olum7trico o %olumen #ue pasa por un 2rea dada en la unidad de tiempo.
VISCOSIDAD
:ropiedad de un "uido #ue tiende a oponerse a su "u!o cuando se le aplica una -uer*a. Los "uidos de alta %iscosidad presentan una cierta resistencia a "uir1 los "uidos de $a!a %iscosidad "uen con -acilidad. La -uer*a con la #ue una capa de "uido en mo%imiento arrastra consigo a las capas adacentes de "uido determina su %iscosidad, #ue se mide con un recipiente 3%iscosmetro4 #ue tiene un ori6cio de tama+o conocido en el -ondo. La %elocidad con la #ue el "uido sale por el ori6cio es una medida de su %iscosidad. La %iscosidad de un "uido disminue con la reducción de densidad #ue tiene lugar al aumentar la temperatura. En un "uido menos denso 0a menos mol7culas por unidad de %olumen #ue puedan trans-erir impulso desde la capa en mo%imiento 0asta la capa estacionaria. Esto, a su %e*, a-ecta a la %elocidad de las distintas capas. El momento se trans6ere con m2s di6cultad entre las capas, la %iscosidad disminue. En algunos l#uidos, el aumento de la %elocidad molecular compensa la reducción de la densidad.
FLUJO VISCOSO Y NO VISCOSO
; Flujo Viscoso: Es a#uel en el #ue los e-ectos de la %iscosidad son tan importantes no se pueden despreciar. ; Flujo no Viscoso: Es a#uel en el #ue los e-ectos de la %iscosidad no a-ectan signi6cati%amente el "u!o por lo tanto no se toma en cuenta.
CARACTERSTICAS DEL FLUJO El "u!o de los "uidos puede clasi6carse de la siguiente manera&
A. FLUJO LAMINAR UNS
<
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En el "u!o laminar el gradiente de %elocidades es di-erente de cero. El per6l de %elocidad es una cur%a de -orma sua%e el "uido se mue%e a lo largo de lneas de corriente de aspecto aislado. El "u!o se denomina laminar por#ue aparece como una serie de capas delgadas de "uido 3l2minas4 #ue se desli*an unas so$re otras. En el "u!o laminar las partculas de "uido se mue%en a lo largo de las lneas de corriente 6!as no se despla*an de una a otra. El concepto de -ricción en el "uido es una analoga adecuada para el es-uer*o cortante m2s an es realmente el resultado de una trans-erencia de momento molecular, de -uer*as intermoleculares o de am$as cosas.
B. FLUJO TRANSICIONAL El "u!o laminar se trans-orma en tur$ulento en un proceso conocido como transición1 a medida #ue asciende el "u!o laminar se con%ierte en inesta$le por mecanismos #ue no se comprenden totalmente. Estas inesta$ilidades crecen el "u!o se 0ace )ur$ulento .
UNS
=
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C. FLUJO TURBULENTO Se conoce como "u!o tur$ulento al mo%imiento desordenado de un "uido& Este se caracteri*a por "uctuaciones al a*ar en la %elocidad del "uido por un me*clado intenso. El patrón desordenado de $ur$u!as cercanas a la parte in-erior de la pared del canal es el resultado del me*clado del "u!o tur$ulento en esa *ona.
N! "# REYNOLDS El nmero de Renolds 3Re4 es un nmero a dimensional utili*ado en mec2nica de "uidos, dise+o de reactores -enómenos de transporte para caracteri*ar el mo%imiento de un "uido. Este nmero reci$e su nom$re en 0onor de >s$orne Renolds 39?@<;99<4, #uien lo descri$ió en 9??=. Nmero de Renolds crtico superior Renolds crtico in-erior& Se pueden calcular de acuerdo al "u!o #ue apare*ca en la Bu$a de Renolds, depender2 de si el "u!o es tur$ulento o laminar. Estos nmeros crticos nacen de las relaciones de %iscosidad cinem2tica, densidad de masa, longitud %elocidad. :ara R 3@CCC mnimo para el "u!o tur$ulento esta$le en una tu$era4 este tipo de "u!o se da en la maora de aplicaciones de ingeniera.
= > e#ui%alente por& D 5onde& $ : 5ensidad del "uido . %s : Velocidad caracterstica del "uido . D : 5i2metro de la tu$era a tra%7s de la cual circula el "uido o longitud caracterstica del sistema . & : Viscosidad din2mica del "uido .. % : Viscosidad cinem2tica del "uido . D
Bomo todo nmero adimensional es un cociente, una comparación. En este caso es la relación entre los t7rminos con%ecti%os los t7rminos %iscosos de las ecuaciones de Na%ier;Stoes #ue go$iernan el mo%imiento de los "uidos. :or e!emplo, un "u!o con un nmero de Renolds alrededor de 9CC.CCC 3tpico en el mo%imiento de una aerona%e pe#ue+a, sal%o en *onas pró/imas a la capa lmite e/presa #ue las -uer*as %iscosas son 9CC.CCC %eces menores #ue las -uer*as con%ecti%as, por lo tanto a#uellas pueden ser ignoradas. Un e!emplo del caso contrario sera un co!inete a/ial lu$ricado con un "uido sometido a una cierta carga. En este caso el nmero de Renolds es muc0o menor #ue 9 indicando #ue a0ora las -uer*as dominantes son las %iscosas por lo tanto las con%ecti%as pueden despreciarse. >tro e!emplo& En el an2lisis del UNS
@
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mo%imiento de "uidos en el interior de conductos proporciona una indicación de la p7rdida de carga causada por e-ectos %iscosos.
IV. MATERIALES E INSTRUMENTOS M'(#)i'l#s: •
Agua pota$le. Bolorante.
Ins()u*#n(os: Bu$a de Renolds, compuesto de un tu$o de %idrio, de un inector colorante. :ro$eta graduada. Un cronometro.
V.PROCEDIMIENTO ; Llenar la Bu$a de Renolds con agua esperar #ue cese cual#uier clase de mo%imiento, mantenerlo a un mismo ni%el, marcado anteriormente como se muestra en la 6g9.
Figura394 ; A$rir la %2l%ula de salida del tu$o de %idrio luego a$rir la %2l%ula del inector de colorante o$ser%ar su comportamiento, si se mantiene a modo de un 0ilo colorecido e/tendido en toda la e/tensión del tu$o se estar2 ante un "u!o laminar,a0 %emos la 6gura 3<4.
Figura3<4
UNS
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; :ara di-erentes aperturas de la %2l%ula de salida del tu$o de %idrio medir un %olumen Vo en un tiempo 't( para o$tener el caudal. D 3H 4 ; 5eterminar para cada medida la %elocidad del "u!o en la siguiente -órmula& D Bon los di-erentes %alores de la %elocidad la temperatura calcular el N8 de Renolds. D -ig3=4
Figura 3=4
VI. CALCULOS D'(os: o o
5i2metroD <. cm D C.C< m VolumenD 9 litro D C.CC9 m = 2
o
Viscosidad& v agua 20° C =
:ara
Q=
V 0 t
=
0.001 m
m seg
t 1 =64.992 seg
3
64.992 seg
−6 1.007 x 10
3
−6 10
=0.154 ∗
m seg
3
V =
4Q
πD
2
m ) seg
−6 4 0.154 x 10
(
=
2
π ( 0.026 m)
=29 x 10−
3
m seg
UNS
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ℜ=
v s D v
NEIL VELASQUEZ
(29 x 10−
m )( 0.026 m) seg
3
=
2
1.007 x 10
m seg
t 2 =34. O 44 seg
:ara Q=
−6
=748.76
V 0 t
=
0.001 m 34.044
3
seg
3
=
−6 0.29 x 10
m seg
3
V =
ℜ=
4Q
πD
2
v s D v
−6 4 0.2 9 x 10
(
=
m ) seg 2
π ( 0.026 m )
(54.6∗10
−3 m seg
=
=54.6∗10
=1409.73
2
Q=
seg
)( 0.026 m)
−6 1.007 x 10
:ara
−3 m
m seg
t 3 =17.277 seg V 0 t
=
0.001 m 17.277
3
seg
3
=
−5 5.79 x 10
m seg
3
V =
ℜ=
4Q
πD
2
v s D v
−5 4 5.79 x 10
(
=
2
π ( 0.026 m)
(0.11 =
m ) seg
=0.11
m )( 0.026 m ) seg 2
−6 1.007 x 10
:ara
m seg
m seg
=2840
t 4=8.628 seg
UNS
J
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Q=
NEIL VELASQUEZ
V 0 t
=
0.001 m
3
8.628 seg
3
=
−5 0.1159 x 10
m seg
3
V =
ℜ=
v s D v
=
4Q
πD
2
m ) seg
−5 4 0.1159 x 10
(
=
2
π ( 0.026 m)
(0.0022 )( 0.026 m ) 2
−6 1.007 x 10
m seg
=0 .0022
m seg
=56.8
+ RESULTADOS N !
T#*,#)' (u)' -!C
Viscosi "'" -*/0s
Volu* #n -*1
Ti#* ,o -s
9
1.007 x 1
<
1.007 x 1 0.001
=
1.007 x 1
0.001
17.27 5.79 x 10 0. 11
@
1.007 x 1
0.001
8.628 11.59 x 1 0.0022
0.001
C'u"'l -*10s
64.99 0.154 x 1
V#loci "'" -*0s 29 x 10
∗1
34.04 0.29 x 10 54.6
N2*# Flujo )o R#3no l"s 748.6 tur$ulen to tur$ulen 1409 to
/.CUESTIONARIO L'*in'): El gradiente de %elocidad es $a!o las partculas se despla*an en -orma de capas o laminar. Tu)4ul#n(o: Es un "u!o tur$ulento por#ue la acción de %iscosidad es desprecia$le las partculas no se mue%en siguiendo traectorias de6nidas.
/ CONCLUSIONES 1.Se pudo comprobar satisfactoriamente los valores obtenidos por Reynolds en el experimento verificándose que los Números de Reynolds establecidos, correspondían a la forma del flujo que se presentaba en la experiencia.
$
.Se pudo distin!uir con claridad el flujo laminar "flujo ordenado, lento# del flujo turbulento "flujo desordenado, rápido#. Se determin% el Número de Reynolds crítico, que nos delimita el cambio de un flujo en estado laminar al estado turbulento.
5 RECOMENDACIONES
Recomiendo que la &uba de Reynolds se ampli' en lon!itud, ya que al reali(ar el experimento se calcul% que la lon!itud de estabili(aci%n resultaba alrededor de un metro, considerando que el tubo que se encuentra en la &uba de Reynolds
UNS
?
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en el laboratorio mide s%lo un poco más de un metro, por ende creo que la visuali(aci%n de los tipos de flujo no se desarrolla con la suficiente notoriedad.
6 BIBLIO7RAFIA KI)E, F., 'MEBANIBA 5E FUI5>S(, Ed McGra ill, N OEPAR MAIM>, 'I5RAULIBA 5E BANALES(,
UNS
