Laboratorio de Mecánica de Fluidos I Visualización del flujo 16-enero-2018, 16-enero-2018, II término Serrano Rivera Gustavo Arturo Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP) Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL) Guayaquil - Ecuador
[email protected] Resumen En la práctica, se tendrá como objetivo la verificación de forma experimental sobre la teoría del flujo de un fluido real, así como su adaptación a diversos perfiles. Observaremos las distintas configuraciones que tendrán las líneas de corriente e intentaremos apreciar las mismas y su relación con las superficies que en ese momento utilicemos. Se analizaron seis perfiles diferentes en una máquina generadora de humo, que utilizaba al kérex como su principal combustible; cabe recalcar que, en el pres ente de la industria, esta máquina ya no se usa. Se colocaron los perfiles en una cámara que se encargaba de hacer pasar el humo a través del mismo y, con ayuda de la iluminación, e apreciaron las líneas de trayectoria que este humo tomaba. Después se concluyó que el humo siempre iba a bordear el objeto y que, al final, siempre tratará de juntarse nuevamente, para convertirse en un mismo flujo; la parte donde sucede este fenómeno se llama estela. Se observaron turbulencias en algunos perfiles, ya que hay algunos en los que la trayectoria cambia abruptamente, lo que delimita el espacio por lo cual se mueve el humo. Palabras claves: flujo, humo, kérex, turbulencia, estela, laminar, turbulencia.
Introducción La máquina conocida como túnel de viento, es utilizada, exclusivamente, para la realización de prácticas aerodinámicas en las cuales es necesaria la visualización del comportamiento de fluidos que entran en contacto con el aire. Los objetos que se analizan en esta máquina suelen ser utilizados en la industria de la aviación, y la máquina nos ayuda a realizar pruebas que el diseño tendría que soportar, a escala, sin que se invierta una cantidad monetaria exorbitante. El objetivo principal de la máquina es brindarnos información, para así mejorar el diseño de un producto que se verá sometido a las acciones de un fluido. La máquina utilizada en la práctica funciona con una bomba, que transfiere el combustible hacia una resistencia que, tras una reacción química, acciona el combustible generando humo. Una segunda bomba succiona el humo, para direccionarlo hacia la cámara de prueba, donde se colocan los perfiles que utilizaremos para alterar la trayectoria del humo. La representación del campo de flujo siempre resulta ventajoso al momento de trabajar con fluidos, por lo que, en la práctica, se buscará poder representar la trayectoria seguida por el humo. La trayectoria se constituye por la curva de movimiento de una partícula del fluido. Para determinarla, se identifica esta partícula en un instante dado y se fotografía su movimiento. La línea que se traza después constituye una trayectoria. También, podemos fijar nuestra atención en un punto de la trayectoria e intentar identificar todas las partículas que pasan a través de ese punto. La línea que une todas estas partículas define una línea del trazador.
En la parte práctica, siempre se intentará descifrar cómo funciona un fluido alrededor de un sólido; esto se debe a que alrededor de esos fundamentos funcionan los aviones, barcos, etc. En los cuerpos simétricos, las líneas de corriente se reparten simétricamente. Supongamos un cuerpo simétrico como un cilindro, como vemos en la figura, las l as líneas de corriente se reparten simétricamente.
Ilustración 2. Líneas de trayectoria alrededor de un sólido simétrico.
Si se trabaja con un fluido ideal, las fuerzas siempre estarán simétricamente distribuidas alrededor del cuerpo, ya que así se anulan las presiones en los extremos. Entonces tendremos que un cuerpo simétrico no va a ser arrastrado cuando se introduce en un fluido perfecto. En los flujos no viscosos, la viscosidad es cero, como lo indica su nombre; tales flujos, en la realidad, no existen, entonces no existen los fluidos perfectos. Pero sí existen un sinnúmero de fluidos viscosos, que se dividen, principalmente, en incompresibles y compresibles; esta división tiene que ver únicamente con su densidad. Los flujos viscosos son más importantes en el estudio de la mecánica, ya que serán los que encontremos en los casos reales.
Ilustración 1. Diferenciación entre un fluido viscoso y uno no viscoso.
Cuando se trabaja con fluidos viscosos y flujos turbulentos, la región más próxima a la superficie se forma por una capa delgada o capa límite, donde se encontrarán los efectos viscosos, y que simplifica el modelo matemático para su estudio significativamente. De esta capa para abajo, abajo, o arriba, podremos podremos despreciar despreciar los efectos de la viscosidad y se aplicarán modelos matemáticos mucho más sencillos, que se trabajan con fluidos no viscosos. Gracias a estos fundamentos, se han desarrollado dispositivos como las alas de los aviones, turbinas de gas y compresoras, etc. Los modelos aerodinámicos se encargan de producir la menor fricción y de reducir la turbulencia a casi cero.
que se encuentra en la parte inferior del mismo. Esta bomba accionará el combustible, pasándola a la bomba número dos, que a su vez direccionará el fluido a la cámara de humo, donde podremos visualizar las líneas de flujo cuando el fluido pasa a través de los perfiles, en el orden que se detalla a continuación: 1. Cilindro 2. Esfera 3. Placa con orificio circular 4. Ala aerodinámica 5. Disco 6. Codo recto 7. Codo recto con deflectores 8. Codo suavizado 9. Conjunto de barras
Análisis de Resultados, Conclusiones y Recomendaciones: Recomendaciones:
Ilustración 3. Modelo aerodinámico del ala de un avión.
En la práctica, el combustible o fluido utilizado fue el kérex, conocido también como kerosene. Claro que, este combustible, fue dejado de usar en la industria debido a los niveles elevados de contaminación que producía. Se conoce como octanaje a la escala que mide la capacidad detonante del combustible; esto es esencial, ya que para esta práctica necesitamos que el kérex se accione, únicamente, cuando generemos la chispa de la primera bomba.
Equipos, Instrumentación y procedimiento •
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Cámara de humo. Túnel de humo. Kérex o Kerosene.
El procedimiento de la para la práctica consistió en preparar el equipo, colocando el combustible en la bomba
Los resultados observaos se presentarán en la sección de ANEXOS A, con su respectiva descripción. El análisis de esta práctica consistió en describir la forma como el humo fluye a través de los diferentes perfiles utilizados. En el perfil cilíndrico, las líneas de flujo bordearon al cilindro, para, después del fenómeno conocido como estela, volver a juntarse; el fenómeno estelar se puede apreciar tanto antes como después de que el humo atraviese el perfil. En el perfil esférico, las líneas de trayectoria del fluido se unieron en la parte superior, pero p ero con ciertos espacios entre ellas, lo que produce una estela. En el perfil plano con un orifico circular, las líneas bordearon el objeto, llegando a la parte superior de la placa; alrededor de la placa se generan espacios, que, en cuestiones de energía, son considerados como pérdidas. El perfil que asemeja a las alas aerodinámicas, presentó líneas de flujo que bordean las mismas, buscando,
siempre juntarse al final del sólido; se puede visualizar un pequeño espacio de pérdidas al final del ala. Este modelo es el que más se estudia en el ámbito de aviación, ya que permite una mejor utilización de las presiones y fuerzas aerodinámicas que el aire ejerce sobre los aviones, además de que permite estudiarlos para así evitar pérdidas significativas. En el perfil de codo recto, las líneas de trayectoria del fluido chocan en el ángulo recto, que es donde se forma una turbulencia, ya que chocan las líneas de flujo entrante y saliente. Al codo recto se le agregan objetos conocidos como deflectores, que provocan que el flujo turbulento se convierta en uno laminar, como se puede apreciar en esa parte de la práctica. El perfil de codo suavizado presentó líneas de trayectoria circulares, que presentan pérdidas en el área del codo; eso es debido a la curvatura del mismo. Cuando trabajamos con el conjunto de barras, pudimos observar un flujo turbulento, que aumentaba conforme se reducía el espacio entre las barras. Como condición, al no tener el humo forma propia, se acopla a la forma que le proporcionan los diferentes perfiles del túnel de humo. También tenemos que, mientras más suavizado sea el perfil, menos turbulencia observaremos, tendremos un flujo laminar. Las pérdidas que se mencionaron se dan únicamente cuando hay un cambio abrupto de dirección en las líneas de trayectoria. Una de las principales aplicaciones de las cosas demostradas en esta práctica se puede ver en los ensayos aerodinámicos, aerodinámicos, especialmente hablando del ala aerodinámica, ya que es un modelo a escala de un ala de avión y, gracias a la práctica con el túnel de humo, podemos apreciar los efectos que tendrá un fluido (en este caso el humo) sobre la misma, para poder aplicarlo a casos de la vida
real, con sus respectivas estimaciones. Claro que las aplicaciones no se limitan a eso, ya que existen varias situaciones en las que requerimos saber cómo reaccionará un objeto sólido a un fluido, por lo que que realizamos modelos modelos a escala y con la ayuda del túnel de humo, describimos lo que nos ayudará a que nuestro diseño sea el más óptimo y provechoso. Los balones balones son un ejemplo de esto, utilizamos el perfil esférico para determinar cuál será la mejor forma y material frente a las corrientes de viento, por lo que que tendremos el mejor diseño que nos ayudará a aprovechar tanto el material como la forma del balón. El perfil de codos podemos observarlo en los sistemas de ventilación, especialmente, donde necesitaremos un óptimo aprovechamiento de las líneas de flujo si queremos poder ventilar todo el espacio. Y así existen muchas otras situaciones en las cuales podemos aplicar el uso de esta práctica. La parte teórica de esta práctica puede comprobarse después de analizar los resultados de cada perfil, especialmente la parte de viscosidad y turbulencia. También se comprueba los datos proporcionados por el manual del equipo. Como principales recomendaciones, podríamos indicar que se deberá utilizar el equipo protector en todo momento, ya que es comprobado que el kerosene produce altos grados de contaminación y una fuga podría resultar en intoxicación o casos parecidos. Seguir las instrucciones del profesor al momento de cambiar cualquiera de los perfiles, ya que estos son delicados y una mala maniobra podría resultar en su estropeo. Tratar de captar las fotos de los perfiles y sus líneas de flujo a contra luz, l uz, para así tener una mejor apreciación de las líneas de trayectoria, para poder estudiarlas correctamente.
Referencias Bibliográficas [1] S. De las Heras Jiménez, Mecánica de fluidos en ingeniería i ngeniería UPCGrau: Enginyeries industrials, Salvador: Universitat Politècnica de Catalunya. Iniciativa Digital Politècnica, 2012. [2] R. L. Mott, Mecánica de fluidos, Mexico : Pearson Educación, 2006. [3] F. White, Mecánica de Fluidos, McGraw Hill, 2008. [4] A. Crespo, Mecánica de Fluidos, Thomson, 2006.
ANEXOS
ANEXOS A
Ilustración 4. 4. Equipo “Túnel de humo” utilizado en la práctica.
Ilustración 5. 5. Datos del equipo “Túnel de Humo”.
ANEXOS B Los flujos visualizados se detallarán a continuación y en el orden en el que fueron colocados en la cámara de humo.
1.
Cilindro
Ilustración 6. Flujo del humo a través del perfil cilíndrico.
2.
Esfera
Ilustración 7. Flujo del humo a través del perfil esférico.
3.
Placa con orificio circular
Ilustración 8. Flujo del humo a través de una placa con un orificio circular.
4.
Ala aerodinámica aerodinámica
Ilustración 9. Flujo del humo a través de un ala aerodinámica.
5.
Disco
Ilustración 10. Flujo del humo a través de un disco.
6.
Codo recto
Ilustración 11. Flujo del humo a través de un codo recto.
7.
Codo recto con deflectores
Ilustración 12. Flujo de humo a través de un codo con deflectores.
8.
Codo suavizado
Ilustración 13. Flujo de humo a través de un codo suavizado.
9.
Conjunto de barras
Ilustración 14. Flujo de humo a través de un conjunto de barras.
ANEXOS C Preguntas conceptuales.
dif erencia entre flujo laminar y turbulento, está relacionada con 1. ¿Cuál es la diferencia el número de Reynolds, de qué manera? El flujo laminar está caracterizado cara cterizado por moverse en forma de lámina o de capas; en cambio, el flujo turbulento presenta movimientos más aleatorios. El flujo está directamente relacionado con el número de Reynolds de la siguiente manera: menor a 2100 si se trata de un flujo laminar y mayor a 4000 si se considera turbulento. 2. ¿Qué es capa límite y de qué depende su espesor?
Se conoce como capa límite a la zona donde son válidos los efectos de la viscosidad, ya que están directamente en contacto con la parte sólida. El espesor de esta capa depende de la velocidad del fluido, especialmente. 3. ¿A qué se denomina punto de estancamiento y punto de separación o
desprendimiento desprendimiento en la capa límite? La formación de una estela se denomina como desprendimiento de capa límite y tiene al inicio o al final del objeto, algunas veces en ambos dependiendo de la forma del mismo. La estela, en cambio, es la conocida como punto de separación; mientras que estancamiento es como se conoce al fenómeno del fluido estacionario, o sea que se queda en un punto muerto.
4. ¿Qué es la estela y por qué es importante estudiarla en cuerpos romos y
aerodinámicos? Una región de baja presión es conocida como estela, y se ubica, casi siempre, detrás del cuerpo que pasa a través de un fluido. Su importancia recae a en que, si la estela es muy grande, tendremos muchas más pérdidas, especialmente si
5. ¿Cómo se genera el humo en el túnel, porque se utiliza kerex, se puede
reemplazar este fluido? El humo para la práctica se genera tras la combustión del kerosene (kérex), para lo cuál se utiliza una resistencia que reacciona reacci ona químicamente con el fluido. Tras esta reacción, se genera dióxido de carbono, que es lo que nosotros observamos en forma de humo. El kérex se puede reemplazar, incluso se reemplazó en las industrias, debido a que los niveles de dióxido de carbono que producía eran demasiado altos, lo que lo convertía en un combustible tóxico; claro que eso, para nosotros, es conveniente, porque podemos apreciar mejor las líneas de trayectoria a través de los perfiles.
