INFORME FLUIDOS - FLUJOS LAMINAR Y TURBULENTO.docx

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA

I.

INTRODUCCIÓN

Las pérdidas por fricción se dan conforme el fluido circula por tramos rectos en ductos y tubería, lo que provoca que la presión disminuya a lo largo de la tubería y puede ocasionar que el fluido no llegue al lugar que se desea. Para determinar estas pérdidas es importante caracterizar la naturaleza del flujo la cual se puede determinar observando, si por ejemplo el agua sale de la llavea velocidad baja el flujo parece suave y estable, la corriente tiene un diámetro casi uniforme y se mueve en láminas paralelas sin entremezclarse el flujo es laminar. Si por el contrario la llave está abierta por completa y el agua tiene una velocidad mayor y los elementos del fluido parecen mezclarse en forma caótica dentro de la corriente, el flujo es turbulento. Si al hacer el procedimiento de abrir la llave observamos oscilaciones el flujo se encuentra en una zona de transición en la cual el flujo pasa de laminar a turbulento. La naturaleza de un flujo también depende de un factor denominado viscosidad, es más probable que el flujo de líquidos de viscosidad baja sea turbulento. Otras variables como la densidad y la trayectoria del fluido son importantes para caracterizar el flujo las cuales se relacionan en la ecuación del número de Reynolds junto con la viscosidad. El número de Reynolds nos ayuda a tener una mayor certeza de que tipo flujo estamos tratando si laminar o turbulento. Este número junto con otras características de la tubería como la rugosidad, la longitud, el diámetro permiten calcular las pérdidas hidráulicas, la ecuación universalmente conocida para obtener las pérdidas es la de Darcy-Weisbach, en la cual hay una variable denominada coeficiente de fricción (f) el cual varía y se calcula dependiendo el tipo de flujo y las características de la tubería (rugosa o lisa). Para el buen diseño de una tubería es importante tener en cuenta todos los parámetros descritos anteriormente, conocerlos y saber utilizarlos adecuadamente ya que uno de los campos de aplicación en ingeniería civil es la construcción sistemas de abastecimiento de agua, el trabajo de ingeniero es garantizar que el agua se distribuya y llegue adecuadamente a todas las viviendas de una población. Por esto es importante saber las pérdidas hidráulicas ya que a partir de estas el ingeniero puede establecer que elementos utilizar y en donde para que el agua o cualquier otro fluido llegue a su destino

II.

OBJETIVOS 



Visualizar los flujos en diferentes regímenes de escurrimiento, diferenciando el flujo laminar (flujo ordenado, lento) del flujo turbulento (flujo desordenado, rápido), flujo transicional (características del flujo laminar y turbulento a la vez). Obtener valores para el número adimensional de Reynolds sujeto a las condiciones bajo las cuales se realizan las experiencias.

MECÁNICA DE SUELOS I


III.

MARCO TEORICO Flujo de un Fluido Real Los problemas de flujos de fluidos reales son mucho más complejos que el de los fluidos ideales, debido a los fenómenos causados por la existencia de la viscosidad. La viscosidad introduce resistencias al movimiento, al causar, entre las partículas del fluido y entre éstas y las paredes limítrofes, fuerzas de corte o de fricción que se oponen al movimiento; para que el flujo tenga lugar, debe realizarse trabajo contra estas fuerzas resistentes, y durante el proceso parte de la energía se convierte en calor. La inclusión de la viscosidad permite también la posibilidad de dos regímenes de flujo permanente diferente y con frecuencia situaciones de flujo completamente diferentes a los que se producen en un fluido ideal. También los efectos de viscosidad sobre el perfil de velocidades, invalidan la suposición de la distribución uniforme de velocidades. El Número de Reynolds Reynolds demostró por primera vez las características de los dos regímenes de flujo de un fluido real, laminar - turbulento, por medio de un sencillo aparato. Reynolds descubrió que para velocidades bajas en el tubo de vidrio, un filamento de tinta proveniente de D, no se difunde, sino que se mantiene sin variar a lo largo del tubo, formando una línea recta paralela a las paredes. Al aumentar la velocidad el filamento ondula y se rompe hasta que se confunde o mezcla con el agua del tubo. Reynolds dedujo que para velocidades bajas las partículas de fluidos se movían encapas paralelas, deslizándose a lo largo de láminas adyacentes sin mezclarse. Este régimen lo denominó flujo laminar. Y el régimen cuando hay mezcla lo nombró flujo turbulento. Esquema de laboratorio para medir el número de Reynolds (Re)

Reynolds pudo generalizar sus conclusiones acerca de los experimentos al introducir un término adimensional, que posteriormente tomó su nombre, como Numero de Reynolds:



(*): Densidad del agua Dónde:

ρ: densidad del fluido (kg/m3) V: velocidad media (m/s)D: diámetro interno del tubo (m) μ: viscosidad absoluta o dinámica del fluido (kg/m.s) ν: viscosidad cinemática del fluido (m2/s) Reynolds mostró que ciertos valores críticos definían las velocidades críticas superior e inferior para todos los fluidos que fluyen en todos los tamaños de tubos y dedujo así el hecho de que los límites de flujo laminar y flujo turbulento se definían por números simples. Según el número de Reynolds, los flujos se definen: Re < 2000

→ Flujo Laminar

Re 2300 – 4000

→ Flujo de transición

Re > 4000

→ Flujo turbulento



Materiales y Equipos Para calcular el número de Reynolds (Re): 1) Cuba de Reynolds, compuesto de un tubo de vidrio, y de un inyector colorante 2) Permanganato de potasio 3) Un termómetro. 4) Un cronómetro. Para observar las líneas de flujo: 1) Mesa de flujo 2) Permanganato de potasio 3) Figuras geométricas de caucho

IV.

METODOLOGIA PROCEDIMENTO SEGUIDO PARA EL CÁLCULO DEL NUMERO DE REYNOLDS

El desarrollo del experimento consistió de los siguientes pasos que se mencionan en orden a continuación: 

Revisión de todas las llaves y válvulas comprobando que están cerradas.



Apertura de la válvula de control de ingreso del agua de la línea, regulando de tal forma que se presente un rebose de agua mínimo.



Se procede a abrir ligeramente la válvula de control de salida del agua, girando la manija un cautelosamente buscando el flujo deseado.



El agua que sale es almacenada en un recipiente cúbico graduado en litros que está equipado al costado de la Cuba de Reynolds.



Medición del tiempo en el cual ingresa un volumen de agua identificable (Altura h en centímetros) en el recipiente mencionado anteriormente. Verificación de la temperatura del agua para calcular la viscosidad cinemática del agua en ese momento.





Apertura de la llave de control de salida del colorante, de manera que fluya a través del tubo de vidrio, tratando que el hilo de tintura sea lo más delgado posible.





se repite el mismo procedimiento realizando 2 veces para cada tipo de flujo (turbulento, transición y laminar), pero cada vez incrementado el caudal del agua que sale buscando el flujo que se desea hallar.

 PROCEDIMENTO SEGUIDO OBSERVAR LAS LINEAS DE FLUJO: El desarrollo del experimento consistió de los siguientes pasos que se mencionan en orden a continuación:

V.



Se inyectó permanganato de potasio (colorante) por intermedio de agujas hipodérmicas para que el flujo sea evidente.



Se abren los vertederos.



Se abren las válvulas de ingreso y salida de agua para alterar las líneas de flujo.



Se colocan los moldes de caucho para observar las diferentes formas que adoptan las líneas de flujo

RESULTADOS



N°

Paralelamente al ensayo se iba tomando las medidas del tiempo y la cantidad de agua para obtener el caudal y así obtener la velocidad.

1

Altura H (cm) 0.5

Volumen (cm³) 115 x 10−6

Tiempo (s) 105

2

0.5

115 x 10−6

110

3

1

230 x 10−6

4

1

5 6

Caudal Q (m³/s) 1.09 x10−6

Velocidad V(m/s) 0.013

Nro de Reynolds Re 135.43

1.045 x10−6

0.0133

138.54

27

8.5x10−6

0.11

1145.83

230 x 10−6

28

8.21 x10−6

0.10

1041.67

2

460 x10−6

18

256x10−5

0.33

3437.5

2

460 x10−6

18

256 x10−5

0.33

3437.5



FOTOS DE LOS ENSAYOS REALIZADOS

VI.

DISCUSIONES 1. Al momento de realizar el ensayo para calcular el número de

Reynolds se observó que el valor obtenido no coincidía con el tipo de flujo que se observaba esto debido a una desincronización en el caudal de ingreso del permanganato de potasio y la llave de salida de agua. MECÁNICA DE SUELOS I


2. Se observó que en la mesa de flujo laminar algunas agujas de salida de permanganato estaban obstruidas en su salida y por esta razón el flujo de salida se veía alterado además de un cierto desnivel en las agujas de salida que hacía que algunas liberen mayor cantidad de permanganato, no teniendo así una precisión en las líneas de flujo. 3.

VII.

CONCLUSIONES 1. El esfuerzo constante que se observa en el gráfico 3. Esfuerzodeformación para suelo remoldeado, se debe a que la muestra, al seguir ejerciéndole una carga, esta se deforma de manera lateral gracias a esfuerzos cortantes que aparecen en el plano de fallo, ocasionando que el esfuerzo normal se mantenga constante a pesar de que se siga aumentando la carga. 2. En las gráficas 2 y 4 se observa que para esta muestra, ambas probetas poseen un comportamiento “dúctil” es decir, no se logra apreciar claramente en qué punto está el “peak” de tensión normal, y el suelo se sigue deformando sin haber una variación muy grande en la carga aplicada. 3. En los gráficos del circulo de Mohr, se ve reflejado este comportamiento del suelo, puesto que la resistencia al corte de la probeta de suelo remoldeada, es menor que la resistencia al corte de la probeta natural.

VIII.

RECOMENDACIONES 

Verificar que las salidas de los fluidos estén libres de cualquier material que impida el libre flujo de este.



Verificar que el nivel de los equipos utilizados no presenta ninguna inclinación pues esto restara precisión a los resultados que buscamos mediante este ensayo.



IX.

BIBLIOGRAFIA 1. Terzaghi, K. & Peck, R.B. 1948. Soil Mechanics in Engineering Practice, 1st Edition, John Wiley and Sons. New York. 546 p. 2. Badillo, E; Rico, A.1974. Mecánica de suelos. México. Editorial limusa. v.1, 627p. 3. Gonzales de Vallejo, L. 2002. Ingeniería geológica. Madrid, España. Pearson Education. 744p.

X.

ANEXOS Anexo. A. Valores estimados de cohesión y fricción del suelo basados en el número de golpes -sin corregir- del SPT. Karol (1960)


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