UNIVERSIDAD TECNOLOGICA METROPOLITANA DEPARTAMENTO DE MECANICA INFORME DE LABORATORIO MECANICA DE FLUIDOS
_________________________________________________________________________________ __________________________________________________ _______________________________ DETERMINACIÓN DE TIPOS DE FLUJO SEGÚN REYNOLDS
_________________________________________________________________________________ __________________________________________________ _______________________________ Experiencia Nº
_____1_____
Nombre del alumno
Fecha de la exp. 26/12/2016__ Fecha de entrega 02/01/2017__
Javier Flores Salinas
Grupo de laboratorio
________________________________ Firma del alumno Nota control entrada __________
Nombre del profesor Marcelo Borges
Nota de participación _________ Nota del informe _____________ Nota de la experiencia ________ SE RECOMIENDA AL ESTUDIANTE MEJORAR EN SU INFORME LA MATERIA MARCADA CON UNA X
____ Presentación
______Teoría fundamental
_____ Esquema instalación
____ Método experimental ______ Características técnicas _____ Cálculos, resultados, gráficos de los equipos ____ Conclusiones OBSERVACIONES
_________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________
SANTIAGO, _02_/_01_/ 2017_
Introducción: El número de Reynolds es un numero adimensional utilizado en la Mecánica de Fluidos, diseñado para caracterizar y clasificar el movimiento de un fluido, y así, darle una clasificación según su régimen. Este número recibe su nombre en honor a Osborne Reynolds, quien a través de una serie de experimentos llego a su conclusión en el año 1832. El número de Reynolds relaciona la densidad, viscosidad, velocidad y dimensión típica de un flujo en una expresión, que interviene en numerosos problemas de dinámica de fluidos y así, por lo tanto, en la cotidianidad de nuestras vidas. Dicho número o combinación adimensional aparece en muchos casos relacionado con el hecho de que el flujo pueda considerarse laminar (número de Reynolds pequeño, inferior a 2000), de transición o turbulento (número de Reynolds grande, superior a 4000). El Número de Reynolds permite caracterizar la naturaleza del flujo, es decir, si se trata de un flujo laminar o de un flujo turbulento, además, indica la importancia relativa de la tendencia del flujo hacia un régimen turbulento respecto de uno laminar y la posición relativa de este estado dentro de una longitud determinada. Datos relevantes: ¿Quién fue Osborne Reynolds? Ingeniero irlandés Nacido en Belfast el 23 de Agosto de 1842. En 1873 Reynolds se concentró en la mecánica de fluidos y fue en esta área donde hizo un importante aporte a la humanidad. Estudio el cambio del flujo a través de los tubos, de paso laminar a turbulento. En 1886 formuló la teoría de la lubricación y tres años más tarde el modelo para el flujo turbulento El número de Reynolds como es ahora llamado, era usado para modelar flujos en su teoría y se le dio ese nombre después de los trabajos . Usos del permanganato de potasio
Es utilizado como agente oxidante en muchas reacciones químicas en la industria. Sus propiedades desinfectantes son muy usadas en la industria de los desodorantes. Se utiliza en el tratamiento de infecciones de la piel como hongos y dermatosis.
Marco teórico: El comportamiento de los fluidos es importante para los procesos de Ingeniería. La primera diferenciación de los flujos, fue experimentada por el profesor Osborne Reynolds, en 1883, el sistema consistió en un tanque lleno de agua, en el cual se sumergió un tubo de vidrio. Mediante una válvula dispuesta en dicho tubo, se puede hacer circular un flujo controlado de esta agua colorada, la que procede de una vasija dispuesta en la parte superior del estanque. El profesor Reynolds observó que a bajas velocidades no se producían mezclas transversales en el flujo, por lo cual este chorro de agua colorada circulaba intacto a lo largo de todo el tubo. El comportamiento del chorro, era en líneas paralelas al tubo, por lo que se dedujo el Flujo laminar. Por otra parte, al aumentar la velocidad del flujo se alcanzaba un cierto punto crítico de velocidad, para la cual la línea colorada se difundió a través de todo el tubo, desapareciendo como tal, este comportamiento del fluido, indicó que el agua ahora circula al azar, originando corrientes transversales y torbellinos, este movimiento del fluido se conoce como Flujo Turbulento. Reynolds estableció un criterio para determinar la aparición de uno u otro régimen: · Valores superiores a los 4.000 el flujo es turbulento. · Valores entre 4.000 y 2.000, el flujo se encuentra en un régimen de transición (puede ser laminar o turbulento), dependiendo de las condiciones de entrada al tubo y de la distancia media a partir de la entrada. · Valores inferiores a 2.000 el flujo es laminar.
Objetivos Objetivo Generales:
Observar los diferentes regímenes de flujo de flujo de escurrimiento que experimenta el fluido y sus periodos de transición. Objetivos específicos:
-Determinar cualitativamente el tipo de flujo de un fluido y compararlo con los respectivos valores teóricos. -Obtener una ecuación para calcular el número de Reynolds en función del caudal.
Esquema de instalación:
1234567-
Estanque de agua Tinta pragmato de potasio Tubo de Vidrio Válvula de control de agua Tubo de salida del agua Jarro graduado Cronometro
Descripción instrumentos: 1.-Estanque de agua: Es una pequeña cavidad de material artificial, la cual su función es almacenar el agua del experimento. 2.-Tinta pragmato de potasio: La tinta es un líquido que contiene varios pigmentos o colorantes utilizados para colorear una superficie con el fin de crear imágenes 3.-Tubo de vidrio: Medio por el cual pasa el fluido, nos sirve para observar el tipo de flujo que pasa por él. 4.-Valvula de control del agua: Es un mecanismo que regula el flujo de la comunicación entre dos partes. 5.-Tubo de salida del agua: Tubo por el cual pasa el fluido desde el tubo de vidrio al jarro plástico. 6.-Jarro Graduado Jarro plástico de 2 litros el cual sirve para contener el agua. 7.-Cronometro: Reloj de gran precisión que permite medir intervalos de tiempo muy pequeños, hasta fracciones de segundo.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Primero se ha de abrir la válvula del salida del agua e inyectar el pragmato de potasio esperando obtener alguno de los regímenes antes indicados manejando ambas válvulas repetir el proceso con distintas velocidades para el flujo del agua. Realizar mediciones de tiempo mediante un cronometro para el flujo de agua que caerá en jarro graduado por un total de 2litros de agua, mientras fluye el fluido atreves del tubo se inyecta tinta mediante una válvula con la cual se podrá apreciar a que régimen pertenece el caudal del fluido a simple vista, se realizaron 11 mediciones las cuales se clasifican por simple vista gracias a la tinta inyectada en el flujo ECUACIONES Ecuación de Reynolds:
Donde, Re: Número de Reynolds. D: Diámetro interior de la tubería (tubo), corresponde al diámetro donde fluye el fluido [m]. V: Velocidad lineal media del flujo [m/seg]. ρ: Densidad del fluido, en el caso de líquidos se obtiene de tablas generalmente a 15 ºC [kg/m3]. µ: Viscosidad del fluido [kg/m seg].
Reynolds estableció un criterio para determinar la aparición de uno u otro régimen de flujo para distintos valores de Re: • Valores superiores a los 4.000 el flujo es turbulento. • Valores entre 4.000 y 2.000, el flujo se encuentra en un régimen de transición (puede ser
laminar o turbulento), dependiendo de las condiciones de entrada al tubo y de la distancia media a partir de la entrada. • Valores inferiores a 2.000 el flujo es laminar.
Ecuación para definir el caudal:
El caudal se define como la velocidad media del fluido por el área de la sección transversal de la tubería; donde: Q : Caudal [m/seg] v: Velocidad media del fluido [m/seg] A: Área de la sección transversal [m] El área de la sección transversal se determina como:
D: Diámetro interior de la tubería [m]
Ecuación de Reynolds en función del caudal: Se obtiene relacionando las ecuaciones anteriores.
Ecuación para el cálculo de velocidad: En el caso de flujos laminares, el patrón de velocidades tiene una forma parabólica, con un máximo igual a dos veces la velocidad media.
De la misma manera, la velocidad máxima local para un flujo turbulento se tiene:
DATOS Y RESULTADOS Diámetro de la tubería en metros: 0,04445 [m] Área de la tubería en metros cuadrados: 0,00349 [m^2] Masa de agua en metros cúbicos: 0,002 [m^3] Viscosidad: 0,001123 kg/ms Densidad del agua: 1000 [kg/ m^3]
Tabla de mediciones de tiempo y clasificación de los flujos a simple vista. N° de mediciones 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Tipo de flujo F. Laminar F. Laminar F. Laminar F. Transitorio F. Transitorio F. Transitorio F. Transitorio F. Turbulento F. Turbulento F. Turbulento F. Turbulento
Tiempo (s) 59 87 138 92 70 52 56 24 20 14 9
Calculo de caudales, velocidad media, número de Reynolds, clasificación y velocidad media para cada una de las mediciones mediante las formulas descritas en el apartado de ecuaciones Medición N° 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Caudal Q x10^-5 [m^3/s] 3,39x10−5 2,30x10−5 1,45x10−5 2,17x10−5 2,86x10−5 3,85x10−5 3,57x10−5 8,33x10−5 0,0001 0.00014 0,000222
Velocidad media [m/s]
N° de Reynolds
Régimen
0,0297 0,0201 0,0127 0,0190 0,0251 0,0338 0,0313 0,0730 0,0877 0,1228 0,1947
1007,63 681,93 430,87 644,61 851,56 1146,73 1061,91 2476,66 2975,39 4160,23 6605,58
F. Laminar F. Laminar F. Laminar F. Transitorio F. Transitorio F. Transitorio F. Transitorio F. Turbulento F. Turbulento F. Turbulento F. Turbulento
Velocidad Máxima [m/s] 0,059 0,0402 0,0254 0,038 0,050 0,0676 0,0626 0,0118 0,1421 0,1989 0,3154
DISCUSIÓN Y CONCLUSION Para encontrar el número de Reynolds a distintas mediciones nos permitió constatar que los valores obtenidos por Reynolds en el experimento, son completamente aplicables en la cotidianidad de nuestras vidas, o bien así, en procesos industriales complejos, ya que al verificarse en la práctica, los Números de Reynolds establecidos, correspondían a la forma del flujo que se presentaba en la experiencia. En palabras más simples, se pudo verificar que, de las 11 mediciones tomadas, el respectivo (Re) era completamente acorde a su tipo de régimen observado en la experiencia. Por lo mismo, es muy importante recalcar que gracias a estos aciertos en la experiencia, nos hace concluir que la presencia de errores fue muy poca e sin mayor influencia en los resultados de los datos. Los datos obtenidos coinciden con las observaciones durante la práctica, donde la delgada línea de pragmato de potasio describía un flujo laminar, transitorio y turbulento para los distintos caudales observados. Como fue de esperarse al aumentar la velocidad del flujo se obtuvieron flujos turbulentos y al disminuirla flujos laminados, sin embargo esto depende del caudal del fluido el que permite que más cantidad de fluido entre al flujo del agua provoca que este sea más turbulento. El número de Reynolds es quizá el numero adimensional más utilizado en la ingeniería de allí radica la necesidad de su comprensión ya que es fundamental para comprender el comportamiento del fluido mientras es trasladado. En la experiencia, se distinguieron muy pocas fuentes de error en el proceso, una de ellas puede ser el desfase de tiempo entre los encargados de tomar el tiempo de llenado de la cubeta tiempo, o el error de inexactitud al observar el volumen en el recipiente graduado, lo que se constata y coincide finalmente en el cálculo final del número de Reynolds. Pero como se mencionó al principio de esta conclusión, son errores completamente normales y estipulados en un procedimiento.
Bibliografía:
Mecánica de fluidos. Fundamentos y aplicaciones (2ª edición) Guía número 1 de Laboratorio de mecánica de fluidos UTEM “Determinación de tipos de flujos según Reynolds” (PDF). - ING. SILVA LINDO MARCO, Manual de Laboratorio de Mecánica de Fluidos. (2014)
