INTEGRANTES:
AVILA VALENZUELA WILIAM CUSTODIO PALACIOS CLEMENTE YALO VASQUEZ JUAN
TEMA: INFORME DE LABORATORIO PROFESOS: CABRERA CABRERA WALTER CURSO: MECANICA DE FLUIDOS
LABORATORIO Nº 02 VISUALIZACIÓN DE FLUJOS
1. OBJETIVO: Describir el comportamiento del flujo observado en el laboratorio de la mesa de analogías de stokes Determinar el número de Reynolds para cada tipo de flujo laminar, transitorial y turbulento con el laboratorio realizado del cuba de Reynolds.
2. DESCRIPCION DEL EQUIPO E INSTRUMENTOS.
MESA DE ANALOGÍAS DE STOKES
1. DESCRIPCIÓN: El equipo está concebido para generar flujos planos bidimensionales en régimen laminar de Apenas 3 mm. De espesor. Posee una cámara de disipación de la energía de la fuente de suministro de agua mediante bolitas de vidrio, pasando luego a una cámara de reposo a través de una serie de orificios donde sale finalmente por rebosamiento a la mesa de observación consistente en un vidrio plano de 8mm. De espesor cuadriculado y pavonado. Puede nivelarse mediante 4 tornillos instalados en la base y en 2 niveles de burbuja instalados transversalmente. La visualización de las líneas de corriente se logra mediante la disolución de gránulos de permanganato de potasio.
El tanque de observación posee un sistema disipador de energía del agua de suministro de modo que el nivel sube sin perturbaciones hasta encontrar el rebose que se encarga de mantener siempre constante constante la carga sobre la salida durante la experiencia. El sistema de inyección del colorante para la visualización de la vena fluida, consiste en dos tanques pequeños conectados en serie.
Dimensiones: Largo: 1250 mm Ancho: 450 mm Altura: 550 mm Ø tubo: 10 mm Largo del tubo: 670 mm
La inyección del colorante se efectúa mediante un inyector de 0.5mm. De diámetro, directamente sobre el eje de un tubo de vidrio transparente de 10mm. De diámetro interior que es donde se visualiza regímenes del flujo resultante.
3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
MESA DE ANALOGÍAS DE STOKES
Abra la válvula de ingreso de agua hasta formar una lámina de agua de 4mm de espesor como máximo (esto permite asegurar la presencia de un flujo laminar). Coloque un perfil geométrico en el flujo y agregue permanganato de potasio para visualizar las líneas de flujo Repita el procedimiento, reconociendo en cada caso la forma de las líneas de corriente, el efecto de los vértices, la presencia de la capa límite, el punto de separación y la estela. Use las geometrías indicadas en clase.
CUBA DE REYNOLDS: Abra la válvula de ingreso de agua y llene la cuba hasta que el sistema de rebose entre en funcionamiento. Abra la válvula de purga, generando un caudal muy pequeño. Abra la válvula de inyección del colorante ¿qué se observa? Haciendo uso de la cuba graduada y del cronómetro, mida el caudal de salida. Repita el procedimiento para caudales dentro del flujo laminar, transicional y turbulento. De acuerdo al comportamiento de la línea de corriente observada, determine caudales “críticos” que muestren el cambio de flujo laminar a transicional y de flujo transicional a turbulenta.
4. CUESTIONARIO
MESA DE ANALOGÍAS DE STOKES 1.- Describa si es posible realizar los siguientes experimentos y detalle el proceso que se debería seguir para lograrlo :
Visualización y cuantificación de Flujo Permanente:
Sí es posible visualizar el flujo permanente, ya que tendríamos el caudal constante, y además el área es conocida (nos proporcionan las medidas de la mesa), la velocidad resulta ser constante obteniéndose así un flujo permanente.
Visualización y comportamiento de las líneas de corriente alrededor de perfiles o cuerpos impermeables:
Se logra mediante la disolución de colorante da una coloración verde al fluido, permitiéndonos visualizar las formas que adquieren las líneas de flujo al chocar con los cuerpos, dependiendo de la geometría del perfil colocado .
Visualización y perturbación del paso de un flujo uniforme a través de una serie de tuberías de eje perpendicular al plano del flujo .
Sí, es posible visualizar esta perturbación, ya que cada vez que se cambia el perfil, se puede ver el comportamiento del flujo; todo depende de la geometría de los perfiles.
Visualización de un doblete
El doblete nace de la superposición de un flujo fuente y un sumidero, ambos con intensidad de corriente infinita. Se genera un flujo sobre un cilindro circular que se va desvaneciendo, haciendo que (intensidad de flujo) aumente sin límite conforme “a” (espaciamiento) disminuye a cero. En otras palabras, el producto permanece constante, generando un doblete .
Determinación del Numero de Reynolds
Se podría determinar el número de Reynolds, usando un termómetro, verificando el caudal, teniendo el área y la longitud; sin embargo, es algo complicado, así que no fue calculado en la Mesa de Analogías de Stokes, siendo más fácil su cálculo en la Cuba de Reynolds.
1. Uno de los fenómenos que se produce en la Mesa de Analogías de Stokes era la Separación de las líneas de corriente del flujo uniforme de las paredes del cuerpo, exponga su acuerdo o desacuerdo acerca de las siguientes afirmaciones, citando conceptos y bibliografía revisada.
Se debe a la influencia de las paredes del cuerpo
Falso. Se debe a la geometría del perfil que se coloque sobre la mesa
La zona descolorida toma el nombre de capa limite.
La capa límite es delgada. El espesor de la capa límite aumenta en dirección corriente abajo El perfil de la velocidad en la capa límite satisface la condición de no deslizamiento en la pared y emerge suavemente hasta la velocidad de la corriente libre en el borde de la capa. Existe un esfuerzo cortante en la pared. Las líneas de corriente del flujo en la capa límite son aproximadamente paralelas a la superficie.
Dentro de la zona descolorida el flujo es nulo.
Falso. Se puede apreciar que ese flujo posee una velocidad, por lo tanto, no es un flujo estacionario
Para realizar el análisis de flujo dentro de la zona descolorida se debe considerar la Viscosidad.
En flujos con altos números de Reynolds, los efectos de la viscosidad del fluido y la rotación se confinan en una región delgada cerca de las superficies sólidas o de las líneas de discontinuidad, tales como las estelas.
2. ¿Es posible visualizar un flujo uniforme en la Mesa de analogía de stokes? ¿Porque? Si fuera posible describa el procedimiento a seguir. Sí es posible apreciar las líneas del flujo uniforme, ya que con los objetos hidrodinámicos (regiones de estelas muy pequeñas) las características de arrastre se deben a las fuerzas tangenciales viscosas que se ejercen sobre la superficie. 3. Se puede ver el patrón de flujo alrededor de Cuerpos Cilíndricos en la Mesa de
Stokes. Sí, mediante el colorante que se agrega se hace más sencillo ver el flujo que generan los diferentes cuerpos.
4. Defina si las líneas de corriente son impermeables y como puede ser comprobada en la mesa en el laboratorio. Sí, ya que en ninguna de las pruebas realizadas en el laboratorio se cruzaban las líneas de corriente.
FOTOS:
CUBA DE REYNOLDS
1. Defina los siguientes conceptos: Flujo Laminar, Turbulento y Transicional. Numero de Reynolds crítico, Reynolds critico superior y Reynolds critico inferior. Flujo Laminar. El flujo laminar es más predecible, y existen varias leyes que describen su comportamiento. Su nombre obedece a que las moléculas parecen desplazarse en láminas de igual velocidad, que se envuelven unas a otras en forma concéntrica y el numero de reynolds Re<2000
Flujo Transicional.
El flujo turbulento no es muy eficiente en el uso de la energía... gran parte se va en choques, reflujos, remolinos, aceleraciones y frenadas. La física de los fluidos turbulentos es bastante complicada. El flujo laminar se transforma en turbulento en un proceso conocido como transición; a medida que asciende el flujo laminar se convierte en inestable por mecanismos que no se comprenden totalmente. Estas inestabilidades crecen y el flujo se hace turbulento y el numero de reynols comprende entre 2000
Flujo Turbulento.
En mecánica de fluidos, se llama flujo turbulento o corriente turbulenta al movimiento de un fluido que se da en forma caótica, en que las partículas se mueven desordenadamente y las trayectorias de las partículas se encuentran formando pequeños remolinos aperiódicos, (no coordinados) como por ejemplo el agua en un canal de gran pendiente. Debido a esto, la trayectoria de una partícula se puede predecir hasta una cierta escala, a
partir de la cual la trayectoria de la misma es impredecible, más precisamente caótica. El numero de Reynolds varia a partir de Re>4000.
Numero Crítico de Reynolds
Es el numero Limite entre una corriente laminar y una turbulenta. Reynolds superior: 4000, es decir Re>4000 Corriente turbulenta. Reynolds Inferior: 2000, es decir Re<2000 la corriente es laminar
2. Realice un esquema de comparación del número de Reynolds superior e inferior, defina valores característicos, estabilidad y facilidad de obtención, variación, etc.
Hay que tener en cuenta que para Re= 2000 (máximo para flujo laminar en una tubería) la mayoría de las situaciones de ingeniería pueden considerarse como “no perturbadas”,
aunque en el laboratorio no es posible obtener un flujo laminar a números de Reynolds más elevados. Para R =4000 (mínimo para el flujo turbulento estable en una tubería) este tipo de flujo se da en la mayoría de aplicaciones de ingeniería.
3. Calcule el número de Reynolds para cada uno de los caudales medidos y determine si los flujos con laminares o turbulentos; ¿coinciden estos resultados con el comportamiento de las líneas de corriente observados?
Pasos 1: hallamos el volumen para cada tipo de flujo FLUJO LAMINAR PRUEVA AREA(cm2) ALTURA(mm)
VOLUMEN(cm3)
231.68
31
718.208
231.68
33
764.544
231.68
38
880.384 787.712
FLUJO TRANSICION PRUEVA AREA(cm2) ALTURA(mm)
VOLUMEN(cm3)
231.68
52
1204.736
231.68
60
1390.08
231.68
55
1274.24 1289.685333
FLUJO TURBULENTO PRUEVA AREA(cm2) ALTURA(mm)
VOLUMEN(cm3)
231.68
89
2061.952
231.68
87
2015.616
231.68
93
2154.624 2077.397333
Paso 2: hallamos en número de Reynolds de cada tipo de flujo
FLUJO laminar
VOL
TIEMPO
Q(m3/s)
V=Q/A
Re
787.712
60
1.31285E-05 0.167157287 1838.73016
transitorial
1289.68533
60
2.14948E-05 0.273679088 3010.46997
turbulento
2077.39733
60
3.46233E-05 0.440836375 4849.20012
4. Para los caudales “críticos”, se obtendrán los “números de Reynolds críticos”; se parecen a los valores teóricos mostrados en libros? Explique. Número de Reynolds crítico superior y Reynolds crítico inferior: Se pueden calcular de acuerdo al flujo que aparezca en la Cuba de Reynolds, dependerá de si el flujo es turbulento o laminar. Estos números críticos nacen de las relaciones de viscosidad cinemática, densidad de masa, longitud y velocidad.
FOTOS:
LAMINAR
TRANSITORIAL
TURBULENTO
5.-BILIOGRAFIA
Cengel, Yunus A., 2006, Mecánica de Fluidos. USA; McGraw – Hill Crow, Clayton T., 2006, Mecánica de Fluidos. USA; McGraw – Hill Debler, Walter R., 1990, Fluid Mechanics Fundamentals. USA; Prentice Hall. Gehart P., Gross R., Hochstein J., 1992, Mecánica de Fluidos. USA; Addison – Wesley Iberoamericana.PotterMerle C. &Wiggert David C., 2002, Mecánica de Fluidos. USA; Prentice Hall White, Frank M., 2004, Mecánica de Fluidos. USA; McGraw – Hill
ANEXOS
