Lab 01 - Cuba de Reynolds - UPAO - FLUIDOS

MECÁNICA DE FLUIDOS CUBA DE REYNOLDS

UNIVERSIDAD PRIVADA ANTENOR ORREGO FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

LABORATORIO N° 01 CUBA DE REYNOLDS

ASIGNATURA: MECÁNICA DE FLUIDOS

CICLO: V

ALUMNO: CALDERÓN ALAYO, Jhordy Eduardo

DOCENTE: Ms. NARVAEZ ARANDA, Ricardo

HORARIO: SABADO 8:50 – 8:50 – 10:40 10:40 pm NRC: 545 - 546

TRUJILLO – PERÚ PERÚ 2015 – 20 20

CURSO: MECÁNICA DE FLUIDOS

DOCENTE: Ms. RICARDO NARVAEZ ARANDA

1. INTRODUCCIÓN Una de las constantes preocupaciones de los ingenieros es la predicción, conocimiento y manejo del flujo de los fluidos para adecuarlos al tipo de operación requerido. Esto requiere que los patrones de flujo sean estables o inestables en el tiempo, lo que lleva al mismo tiempo a instruir sobre tipos de flujos: “Laminar” o “Turbulento”. La razón por la cual el flujo puede ser laminar o turbulento tiene que ver lo que sucede ante una alteración pequeña de flujo, esto es una perturbación al vector velocidad, según esto, cuando una perturbación afecta a una partícula, esta tiene dos alternativas: Incrementar Incrementar solo en el sentido del flujo, en este caso se dice que el patrón de flujo al que pertenece la partícula es laminar por cuanto no existe componentes en la dirección transversal que haga que las partículas se mezcle con las colindantes; si la perturbación afecta al vector velocidad de modo que tenga un componente normal a la dirección del flujo, la partícula inevitablemente se mezclará con el resto del fluido denominándose entonces a este tipo de flujo “flujo turbulento”. turbulento” .

3



2. OBJETIVOS 

El objetivo principal de esta experiencia es la visualización de flujos en diferentes regímenes de escurrimiento, diferenciando el flujo laminar (flujo ordenado, lento) del flujo turbulento (flujo desordenado, rápido).



Demostrar que cualquier flujo necesariamente depende de tres parámetros para definir su correspondiente, estos son: la velocidad, longitud geométrica característica que en el caso de tubería puede ser un diámetro, su viscosidad cinemática que a su vez depende de la temperatura. Una cifra adimensional que reúne estos tres parámetros es el “Nº de Reynolds”.

3. FUNDAMENTO TEÓRICO DEFINICIÓN DE FLUIDO Un fluido es una sustancia que cede inmediatamente a cualquier fuerza tendente a alterar su forma, con lo que fluye y se adapta a la forma del recipiente. Los fluidos pueden ser líquidos o gases. Las partículas que componen un líquido lí quido no están rígidamente adheridas entre sí, pero están más unidas que las de un gas. El volumen de un líquido contenido en un recipiente hermético permanece constante, y el líquido tiene una superficie límite definida. En contraste, un gas no tiene límite natural, y se expande y difunde en el aire disminuyendo su densidad. A veces resulta difícil distinguir entre sólidos y fluidos, porque los sólidos pueden fluir muy lentamente cuando están sometidos a presión, como ocurre por ejemplo en los glaciares.

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CAUDAL Es la cantidad de fluido que pasa en una unidad de tiempo. Normalmente se identifica con el flujo volumétrico o volumen que pasa por un área dada en la unidad de tiempo.

VISCOSIDAD Propiedad de un fluido que tiende a oponerse a su flujo cuando se le aplica una fuerza. Los fluidos de alta viscosidad presentan una cierta resistencia a fluir; los fluidos de baja viscosidad fluyen con facilidad. La fuerza con la que una capa de fluido en movimiento arrastra consigo a las capas adyacentes de fluido determina su viscosidad, que se mide con un recipiente (viscosímetro) (viscosímetro) que tiene un orificio de tamaño conocido en el fondo. La velocidad con la que el fluido sale por el orificio es una medida de su viscosidad. La viscosidad de un fluido disminuye con la reducción de densidad que tiene lugar al aumentar la temperatura. En un fluido menos denso hay menos moléculas por unidad de volumen que puedan transferir transfer ir impulso desde la capa en movimiento hasta la capa estacionaria. Esto, a su vez, afecta a la velocidad de las distintas capas. El momento se transfiere con más dificultad entre las capas, y la viscosidad disminuye. En algunos líquidos, el aumento de la velocidad molecular compensa la reducción de la densidad.

FLUJO VISCOSO Y NO VISCOSO -

-

Flujo Viscoso: Es aquel en el que los efectos de la viscosidad son tan importantes y no se pueden despreciar. despreciar. Flujo no Viscoso: Es aquel en el que los efectos de la viscosidad no afectan significativamente el flujo y por lo tanto no se toma en cuenta.

5



CARACTERÍSTICAS DEL FLUJO El flujo de los l os fluidos puede clasificarse de la siguiente manera:

A. FLUJO LAMINAR En el flujo laminar l aminar el gradiente de velocidades es diferente de cero. El perfil de velocidad es una curva de forma suave y el fluido se mueve a lo largo de líneas de corriente de aspecto aislado. El flujo se denomina laminar porque aparece como una serie de capas delgadas de fluido (láminas) que se deslizan unas sobre otras. En el flujo laminar las partículas de fluido se mueven a lo largo de las líneas de corriente fijas y no se desplazan de una a otra. El concepto de fricción en el fluido es una analogía adecuada para el esfuerzo cortante más aún es realmente el resultado de una transferencia de momento molecular, de fuerzas intermoleculares o de ambas cosas.

B. FLUJO TRANSICIONAL 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 crecen y el flujo se hace turbulento.

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C. FLUJO TURBULENTO Se conoce como flujo turbulento al movimiento desordenado de un fluido: Este se caracteriza por fluctuaciones al azar en la velocidad del fluido y por un mezclado intenso. El patrón desordenado de burbujas cercanas a la parte inferior de la pared del canal es el resultado del mezclado del flujo turbulento en esa zona.

N° de REYNOLDS El número de Reynolds (Re) es un número a dimensional utilizado en mecánica de fluidos, diseño de reactores y fenómenos de transporte para caracterizar el movimiento de un fluido. Este número recibe su nombre en honor de Osborne Reynolds (1842-1912), quien lo describió en 1883. 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. vel ocidad. Para R (2300 (máximo para flujo laminar en una tubería) la mayoría de las situaciones de ingeniería pueden considerarse como “no perturbadas”, perturbadas”, aunque en el laboratorio no es posible obtener un 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.

   = 

7



O equivalente por:

   = 

Donde: ρ

:

Densidad del fluido

vs

:

Velocidad característica característica del fluido

D

:

Diámetro de la tubería a través de la cual circula el fluido o longitud l ongitud característica característica del sistema

μ

:

Viscosidad dinámica del fluido

v

:

Viscosidad cinemática del fluido

 =  Como todo número adimensional es un cociente, una comparación. En este caso es la relación entre los términos convectivos y los términos viscosos de las ecuaciones de Navier-Stokes que gobiernan el movimiento de los fluidos. Por ejemplo un flujo con un número de Reynolds alrededor de 100.000 (típico en el movimiento de una aeronave pequeña, salvo en zonas próximas a la capa límite expresa que las l as fuerzas viscosas son 100.000 veces menores que las fuerzas convectivas, y por lo tanto aquellas pueden ser ignoradas. Un ejemplo del caso contrario sería un cojinete axial lubricado con un fluido y sometido a una cierta carga. En este caso el número de Reynolds es mucho menor que 1 indicando que ahora las fuerzas dominantes son las viscosas y por lo tanto las convectivas pueden despreciarse. Otro ejemplo: En el análisis del movimiento de fluidos en el interior de conductos proporciona una indicación de la pérdida de carga causada por efectos viscosos.

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4. MATERIALES E INSTRUMENTOS: MATERIALES

CARACTERÍSTICAS / CANTIDAD

Agua potable Fluoresceína Sódica

INSTRUMENTO

CARACTERÍSTICAS / CANTIDAD

Cuba de Reynolds Termómetro Probeta Graduada

5. PROCEDIMIENTO: -

-

Llenar la Cuba de Reynolds con agua y esperar que cese cualquier clase de movimiento, y mantenerlo a un mismo nivel, marcado anteriormente. Abrir la válvula de salida del tubo de vidrio y luego abrir la válvula del inyector de colorante y observar su comportamiento, si se mantiene a modo de un hilo colorecido extendido en toda la extensión del tubo se estará ante un flujo laminar.

9


-

-


Para diferentes aperturas de la válvula de salida del tubo de vidrio medir un volumen V o en un tiempo “t” para obtener el caudal.   =  (/)  Determinar para cada medida la velocidad del flujo en la siguiente fórmula:  =  Con los diferentes valores de la velocidad y la temperatura calcular el Nº de Reynolds.

 =

  

6. CALCULOS Datos iniciales:

Descripción

Cantidad / Valor

Unidad

Diámetro

11

Mm

Volumen Inicial

3

1

Viscosidad

1x10-6

Stokes

Procesamiento Procesamiento de datos:

10


Flujo Laminar: T = 20 °C N° 01:


V = 1x10-6 Stk

Vo = 0,003 m3

T1 = 57,37 s  , −  = = 5,22910   ,   (, )  =  =  (,) = 0,550 ⁄ () , (,)  =  =  = 6052,765

=

N° 02:

T2 = 55,60 s  , −  = = 5,39610   ,    (, )  =  =  (,) = 0,568 ⁄ () , (,)  =  =  = 6245,452

=

N° 03:

T3 = 55,38 s  , −  = = 5,41710   ,   (,)  =  =  (,) = 0,570 ⁄ () , (,)  =  =  = 6270,263

=

N° 04:

T4 = 55,49 s  , −  = = 5,40610   ,   (,)  =  =  (,) = 0,569 ⁄ () , (,)  =  =  = 6257,833

=

N° 05:

T5 = 55,90 s  , −  = = 5,36710   ,    (, )  =  =  (,) = 0,565 ⁄ () , (,)  =  =  = 6211,935

=

11

D = 0,011 m



7. RESULTADOS 7.1. Calculo de flujo laminar: N°

Temp (°C)

Viscosidad (Stokes)

Volumen (m3)

Tiempo (s)

Caudal (m3/s)

Velocidad (m/s)

N° Reynolds

Tipo de Flujo

1

20

1x10-6

0,003

57,37

5,229x10-5

0,550

6052,765

Laminar

2

20

1x10-6

0,003

55,60

5,396x10-5

0,568

6245,452

Laminar

3

20

1x10-6

0,003

55,38

5,417x10-5

0,570

6270,263

Laminar

4

20

1x10-6

0,003

55,49

5,406x10-5

0,569

6257,833

Laminar

5

20

1x10-6

0,003

55,90

5,367x10-5

0,565

6211,935

Laminar

Promedio 6207,605

Laminar

12



Flujo Turbulento: T = 20 °C V = 1x10-6 Stk N° 01:

Vo = 0,003 m3

T1 = 24,28 s  , −  = = 1,23610   ,   (,)  =  =  (,) = 1,279 ⁄ () , (,)  =  =  = 14069,000

=

N° 02:

T2 = 24,66 s  , −  = = 1,21710   ,    (, )  =  =  (,) = 1,280 ⁄ () , (,)  =  =  = 14080,000

=

N° 03:

T3 = 24,22 s  , −  = = 1,23910   ,   (, )  =  =  (,) = 1,303 ⁄ () , (,)  =  =  = 14333,000

=

N° 04:

T4 = 25,10 s  , −  = = 1,19510   ,   (, )  =  =  (,) = 1,257 ⁄ () , (,)  =  =  = 13827,000

=

N° 05:

T5 = 24,13 s  , −  = = 1,24310   ,    (, )  =  =  (,) = 1,308 ⁄ () , (,)  =  =  = 14388,000

=

13

D = 0,011 m



7.2. Calculo de flujo turbulento: N°

Temp (°C)

Viscosidad (Stokes)

Volumen (m3)

Tiempo (s)

Caudal (m3/s)

Velocidad (m/s)

N° Reynolds

Tipo de Flujo

1

20

1x10-6

0,003

24,28

1,236x10-4

1,279

14060,000

Turbulento

2

20

1x10-6

0,003

24,66

1,217x10-4

1,280

14080,000

Turbulento

3

20

1x10-6

0,003

24,22

1,239x10-4

1,303

14333,000

Turbulento

4

20

1x10-6

0,003

25,10

1,195x10-4

1,257

13827,000

Turbulento

5

20

1x10-6

0,003

24,13

1,243x10-4

1,308

14388,000

Turbulento

Promedio 14139,400

Turbulento

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8. CUESTIONARIO -

-

Ubique en un plano f vs Re, los cinco campos de flujo: laminar, critico, turbulento liso, transitorio y turbulento rugoso. Comparar los Re hallados con los recomendados por los textos, si hubiera discrepancia en lo referente a los valores para la definición de un flujo laminar y un flujo turbulento dar una explicación desde el punto de vista personal. Para el flujo laminar = 6207,605 (valor referente = 2300) Para flujo turbulento = 14139,400 (valor referente = 4000) Según los textos en el flujo turbulento es mayor a 4000 el Re. Nuestro Re hallado en promedio fue de 14139,400, asi que ese encuentra en los límites establecido para el flujo turbulento.

-

Explicar porque un flujo es laminar o turbulento.

Laminar: El gradiente de velocidad es bajo y las partículas se desplazan en forma de capas o laminar. Turbulento: Es un flujo turbulento porque la acción de viscosidad es despreciable y las partículas no se mueven siguiendo trayectoriass definidas. trayectoria -

Ubicar en un diagrama de Moody los valores experimentales hallados de Re y explique la razón si es que existe dificultad. 



Con el primer valor de Re = 6207,605 hallamos un coeficiente de fricción de 0,15. Con el segundo valor de Re = 14139.400 hallamos un coeficiente de fricción de 0,10.

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9. CONCLUSIONES Se pudo comprobar satisfactoriamente los valores obtenidos por Reynolds en el experimento, verificándose que los Números de Reynolds establecidos, correspondían a la forma del flujo que se presentaba en la experiencia experiencia.. Se pudo distinguir la claridad los 2 tipos de flujo, laminar (flujo ordenado, lento) y turbulento (flujo desordenado, rápido).

10.

RECOMENDACIONES

Recomiendo que la Cuba de Reynolds se amplié en longitud, l ongitud, ya que al realizar dicho experimento se observó y calculó que la longitud de estabilización resultaba alrededor de un metro, considerando que el tubo que se encuentra en la Cuba de Reynolds del laboratorio mide un poco más de un metro, por ende creo que la visualización de los tipos de flujo no se desarrolla con la suficiente notoriedad. Otra recomendación, sería que instale las conexiones de agua directas al laboratorio y que tenga su conexión independiente a fin de desarrollar los laboratorios de manera óptima.

11.

BIBLIOGRAFIA -

-

VILLON BEJAR MAXIMO, “HIDRAULICA DE CANALES”, 2012. WHITE, F., “MECANICA DE FUIDOS”, Ed McGraw Hill, 2008. CRESPO, A., “MECANICA DE FLUIDOS”, Ed. Thomson, 2006. BARRERO RIPOLL, A., PEREZ-SABORID SANCHEZ-PASTOR, M., “FUNDAMENTOS Y APLICACIÓNES DE MECANICA DE FLUIDOS”, Ed McGraw Hill, 2005. LÓPEZ-HERRERA SANCHEZ, J. M., HERRADA GUITIERREZ, M. A., PÉREZ-SABROID SANCHEZ-PASTOR, M., BARRERO RIPOLL, A., “MECANICA DE FLUIDOS: PROBLEMAS RESUELTOS”, Ed McGraw Hill. 2005.

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ANEXOS (PANEL FOTOGRÁFICO)

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Lab 01 - Cuba de Reynolds - UPAO - FLUIDOS

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