PRE SE NT NTADO ADO POR: Á ng ela R amírez Ari Áng A rias as Yi net neth h Acos ta R an angg el Tania Hernández Hernández G arcía Daniela Vargas Guerrero
LAB HIDRAUL HIDRAULICA ICA 1
RESUMEN
El objetivo principal de esta práctica es saber diferenciar entre cuando un flujo es laminar o cuando es turbulento ya que con la diferenciación de estos dos tipos de flujo y otras características de una tubería podremos obtener las pérdidas por fricción las cuales son de gran importancia a la hora de diseñar un conducto con el fin de transportar algún líquido. Existe un parámetro para determinar estos tipos de movimiento de un fluido y es el denominado número de Reynolds el cual relaciona la viscosidad, densidad, velocidad y dimensión de un flujo. El número de Reynolds es adimensional y nos brinda unos valores para la clasificación del flujo, si el número da un valor menor o igual a 2000 el flujo será laminar y si el número es mayor a 4000 el flujo será turbulento, entre los valores 2000 y 4000 existe un llamado régimen transicional.
Palabras clave Número de Reynolds, perdidas hidráulicas, coeficiente de fricción, flujo laminar, flujo turbulento.
INTRODUCCIÓN
Las pérdidas por fricción se dan co nforme el fluido circula por tramos rec tos 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 lugar que se desea. Para determinar determinar estas pérdidas es importante caracterizar la naturaleza del flujo la cual se puede determinar observando, si por ejemplo el agua sale de la llave a 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 del
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.
PROCEDIMIENTO
1. se conoce el equipo que se maneja en el laboratorio de hidráulica 1 2. se realiza una distribución de las actividades a realizar en la práctica con los integrantes del laboratorio las actividades realizadas son, el manejo de los piezómetros, válvula de caudal, cronómetro y termómetro. 3. se revisan las válvulas. 4. La palanca que cierra y abre la compuerta debe evitar que el aceite caiga a dicho tanque y se cerciora que el tanque debe estar vacío. 5. en las conexiones manométricas se debe realizar la lectura de las diferencias de presión en centímetros de Mercurio 6. Se prende la bomba y se de paso a un mínimo flujo posible para efectuar el primer ensayo de la práctica del laboratorio y realizar la re spectiva toma de datos 7. se mueve hacia el frente la palanca de compuerta y simultáneamente se inicia un conteo con el cronómetro para medir el tiempo y de esta forma tomar el dato de la masa dada de aceite en el tanque gravimétrico. 8. se desocupa el tanque gravimétrico. 9. se abre a un mínimo la válvula reguladora para la obtención de un caudal mayor. 10. se repite el procedimiento desde el numeral 3 en adelante para la realización y toma de los nuevos datos en los respectivos ensayos. 1. Líneas piezométricas, gradiente hidráulico, cauda, velocidad y numero de Reynolds. Líneas Piezométricas
Piezómetro 1 (Bomba) 2 3 4 5 6 7 8
Q1 Presión (cm Hg) 70.4 51.5 47.3 43.1 39.6 34.9 29.5 24.7
Q2 Presión (cm Hg) 69 55 50.4 45.5 41.3 36 30.5 24.9
Q3 Presión (cm Hg) 66.7 58.5 52.5 47.6 42.8 37.5 31.3 25
Linea Piezometrica - Turbulento 70 60 50 40 30 20 10 0 0
2
4 Q1
Piezómetro 1 (Bomba) 2 3 4 5 6 7 8
Q1 Presión (cm Hg) 92.6 31.9 30.4 29 27.8 26.5 25.7 23.8
Q2 Presión (cm Hg) 91.5 32.4 30.8 29.3 28 26.8 25.5 23.7
6 Q2
8
10
Q3
Q3 Presión (cm Hg) 89.5 33.7 31.7 30.1 28.5 27 25.5 23.7
Q4 Presión (cm Hg) 86 35.8 33.4 31.4 29.5 27.5 25.7 23.7
Q5 Presión (cm Hg) 78.5 40.1 36.5 33.8 31.4 28.8 26.5 24
Lineas Piezometricas - Laminar 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0
2
4 Q1
Q2
6 Q3
8 Q4
Q5
10
Gradiente Hidráulico (G.H)
8.84E-04
ℎ = ( ) − ( ) 8 ℎ = .
Reynolds
Perdidas Gradiente por fricción hidráulico Turbulento hf hf/L 3.64 0.61 4.09
0.68
4.55
0.76
Turbulento Laminar 3183.44 1374.83 3360.45 1501.43 3445.27
0.18
1.18
0.20
1.36
0.23
1.64
0.27
2.19
0.37
2039.09
Caudal
Qv
Laminar
Qm
Qv
Turbulento
0.39
340.86
0.90
787.39
0.43
375.82
0.95
827.65
0.49
428.26
0.97
848.54
0.58
506.92
0.77
672.98
Velocidad
1707.11 2719.26
1.10
Qm
= Reynolds
Laminar
= = ∗
1.56
=
Caudal
Velocidad
m3/s
m/s
Turbulento 1.03E-03 1.81 1.08E-03
1.91
1.11E-03
1.96
Laminar 4.51E-04
0.79
4.92E-04
0.87
5.60E-04
0.99
6.67E-04
1.17
2. Coeficiente de fricción
= ℎ ∗ ∗2
Turbulento 0.10
Laminar 0.15
0.10
0.14
0.10
0.12 0.10 0.08
3. Gradiente hidráulico Vs Velocidad Turbulento hf/L 0.61
V 1.81
0.68
1.91
0.76
1.96
Laminar 0.18
0.79
0.20
0.87
0.23
0.99
0.27
1.17
0.37
1.56
hf/L contra V 0,80 0,60 l / f h
0,40 0,20 0,00 0,00
0,50
1,00
1,50
V turbulento
laminar
2,00
2,50
4. Determinación de C y n
ℎ =
Laminar y=0.24x-0.014 m
0.2455
b
-0.0141 Turbulento y=0.95x-1.13
m
0.9571
b
-1.1288
5. Coeficiente de fricción Vs número de Reynolds f
Reynolds Turbulento 0.10 3183.44 0.10
3360.45
0.10
3445.27
Laminar 0.15 1374.83 0.14
1501.43
0.12
1707.11
0.10
2039.09
0.08
2719.26
f contra Re 0,20 0,15 f
0,10 0,05 0,00 0,00
500,00 1000,00 1500,00 2000,00 2500,00 3000,00 3500,00 4000,00
Re turbulento
6. Hallar n
= → = log n
Turbulento
Laminar
-0.29
-0.26
laminar
-0.28
-0.27
-0.28
-0.28 -0.30 -0.32
7. Error de valores hf Perdidas por fricción hf
= ⁄ − ⁄
perdidas por fricción hf
% error
= ∗ ⁄ ∗ ⁄
% = − ⁄ ∗%
3.64
3.64
0.0%
4.09
4.09
0.0%
4.55
4.55
0.0%
Turbulento
Laminar 1.10
1.10
0.0%
1.18
1.18
0.0%
1.36
1.36
0.0%
1.64
1.64
0.0%
2.19
2.19
0.0% ANÁLISIS DE RESULTADOS
Se realizó el registro de los valores de presión, se tomaron datos para diferentes caudales. También se tomaron datos de temperatura, la variación de peso para el cálculo de caudal por método gravimétrico, el tiempo en completar el peso dado por el profesor y las temperaturas inicial y final para cada caudal. El paso siguiente fue pasar la presión de cm de Hg a metros de columna, El factor de conversión de cm de Hg a mca fue 1 cm de Hg = 0.14 m H 2O. El cálculo número de Reynolds, factor de fricción, perdidas por fricción, pendiente de fricción, factor de fricción grafico (Moody), están registrados en las tablas anteriores con las respectivas gráficas. Se observó que los resultados experimentales se ajustan a las predicciones del flujo laminar , el fluido manejaba un comportamiento definido a medida que se abría la llave al aumentar la velocidad se presentaban variaciones , dispersión y desorden en el comportamiento del fluido esto debido a que las partículas del aceite no manejaban una trayectoria clara y específica. Las perdidas hidráulicas por fricción en la tubería son mayores cuando el fluido se comporta como flujo turbulento, se observó que también influye el aumento en la velocidad ya que a mayor velocidad, mayores son estas pérdidas.
CONCLUSIONES
En la práctica del laboratorio de hidráulica I de flujo laminar y flujo turbulento no hubo imprevistos en el desarrollo, esta se llevó a cabo de forma adecuada. De manera visual, se pudo observar los perfiles de los flujos, tanto laminar, turbulento y transicional. Se identificó que conforme se abría gradualmente la llave de paso era fácil observar que el fluido pasa de tener un comportamiento muy bien definido a tal punto que se veía estático, este flujo se denomina laminar, cuando la velocidad aumentaba se veían las variaciones en el comportamiento laminar en ese momento se observaba desorden del flujo, esta etapa del flujo es transicional y finalmente pasaba a ser turbulento de esta manera se comprobó experimentalmente el comportamiento de estos flujos, se pudo confirmar y observar que los resultados experimentales se ajustan a las predicciones de los flujos laminar y turbulento, las perdidas hidráulicas por fricción en la tubería son mayores y más notables cuando el aceite se comportaba como flujo turbulento esto también puede influir al aumento en la velocidad, con lo cual se puede identificar que a mayor velocidad, mayores son estas pérdidas. Como recomendación, es necesario para la realización de la práctica mantener una buena comunicación con las personas que manipulan el equipo, posible errores en la práctica se deben quizás a mala observación a accionar el cronometro, el tiempo en el que descarga el fluido sobre la balanza es esencial para cálculos posteriores, cuando se evalúa el flujo turbulento existe mucha variación sobre la línea piezométricas y debe existir bastante criterio para determinar la altura que más se acomode, como antes mencionaba los errores o desfases se pueden producir debido a este tipo de situaciones, sin embargo en la práctica realizada no evidenciamos desfases, los datos arrojados concuerdan con la información teórica sobre estos tipos de flujos.
