MECANICA DE FLUIDOS I Laboratorio 11 Cálculo del número de Reynolds y observación del régimen laminar, de transición, y turbulento en un flujo: experimento de Osborne Reynolds Objetivo.
1. Determinar visualmente las características de un régimen laminar, de transición, y turbulento. 2. Calcular el número de Reynolds y relacionar su valor al régimen que se está visualizando. 3. Observar el perfil de velocidad típico dentro de una tubería. Descripción del equipo.
El equipo FME06 de EDIBON es empleado para realizar el experimento de Osborne Reynolds y así visualizar el régimen en que se encuentra el fluido de acuerdo al comportamiento de las líneas de corriente. El modulo mod ulo en sí consiste de un depósito cilíndrico, con una capacidad de 10 L, dotado de una tobera la cuál esta acoplada a un tubo de cristal o de metacrilato, cuyo diámetro interior es de 10 mm y que tiene una longitud de 700 mm, el cual permite la visualización del fluido. Un rebosadero garantiza la homogeneidad del caudal y una aguja acoplada a un depósito, de 0.3 L, suministra el colorante (fluoresceína). El agua de alimentación es proporcionada por el banco hidráulico FME00/B a través de una tubería flexible. El control del régimen del flujo se logra a través de la válvula de membrana dispuesta prácticamente al final del tubo de visualización. En la figura 1 puede o bservar el equipo y sus diferentes componentes.
Figura 1. Módulo FME06 para la visualización del régimen laminar, de transición, y turbulento. Nota: La presente guía de laboratorio fue elaborada por Arturo Arosemena.
Marco teórico.
De acuerdo al comportamiento que se aprecie en las líneas de corriente, los flujos se pueden clasificar en: laminar (líneas de corrientes suaves y movimiento sumamente ordenado), transitorio (repentinas fluctuaciones en el movimiento ordenado) o turbulento (movimiento prácticamente aleatorio, completamente desordenado). El régimen del flujo depende de la geometría, la rugosidad de la superficie, la velocidad del flujo, la temperatura y el tipo de fluido; y un parámetro adimensional que relaciona estas variables es el número de Reynolds: (1) Re = = Dónde: es la densidad, es la velocidad promedio en la tubería, es la longitud crítica y la viscosidad dinámica. Aquí se debe recordar que en el caso de flujo en tuberías circulares, la longitud crítica será igual al diámetro de la tubería. Para la mayoría de las condiciones prácticas se tendrá la siguiente convención:
< 2300 → . 2300 < < 4000 → . > 4000 → . Materiales.
1. 2. 3. 4. 5. 6.
Banco hidráulico, FME00/B de EDIBON. Modulo para la demostración del experimento de Osborne Reynolds, FME06 de EDIBON. Cámara fotográfica o teléfono celular con cámara fotográfica. Regla o cinta métrica. Termómetro. Recipiente plástico cilíndrico.
Procedimiento.
1. Llene el depósito de tinta hasta que se alcance una elevación de aproximadamente 2.5 cm de colorante. 2. Coloque el módulo FME06 de EDIBON sobre el banco hidráulico FME00/B. Asegúrese de que el equipo este nivelado. 3. Conecte el tubo flexible a la línea de suministro del banco hidráulico FME00/B. Coloque el desagüe de la tubería de descarga del rebosadero dentro del tanque del b anco hidráulico. De igual forma coloque el desagüe de la descarga del agua con colorante, que ha pasado por el tubo de visualización, dentro del recipiente de medida suministrado por el instructor. 4. Baje el inyector de tinta, por medio del tornillo de sujeción, hasta colocarlo encima de la tobera de admisión de agua. 5. Asegúrese de que la válvula de control de flujo volumétrico del módulo FME06 esté cerrada.
Nota: La presente guía de laboratorio fue elaborada por Arturo Arosemena.
6. Ponga en marcha la bomba y regule la válvula de control del banco hidráulico FME00/B, de forma tal, que se llene lentamente el depósito de agua de 10 L hasta alcanzar el nivel del rebosadero. Llegado a este punto, cierre completamente la válvula de control del banco hidráulico FME00/B y apague la bomba. 7. Abra y cierre varias veces la válvula de control de flujo del módulo FME06 para purgar el tubo de visualización. Una vez purgado el tubo, cierre la válvula de control de flujo volumétrico del módulo FME06 y vacié el recipiente de medida suministrado por el instructor. 8. Espere a que remanse completamente el agua en el equipo FME06 (al menos durante 10 minutos). 9. Ponga en marcha la bomba y abra lentamente la válvula de control del banco hidráulico FME00/B hasta que el agua comience a salir por el rebosadero. 10. Abra lenta y parcialmente la válvula de control del equipo FME06 hasta que se alcancen condiciones estacionarias en el depósito de 10 L (el nivel de agua en dicho depósito debe sobrepasar la tobera). 11. Abra parcialmente la válvula reguladora de colorante hasta que se consiga una corriente lenta con el colorante. El colorante ha de salir muy lentamente, arrastrado por la corriente de agua. Tome una fotografía del tubo de visualización. 12. En un instante dado (para la apertura actual de la válvula de control del FME06), tome como referencia la superficie del agua en el recipiente de medida suministrado por el instructor, espere 30 segundos y mida el cambio de elevación observado en el recipiente. Registre en la tabla 1. En caso de encontrarse prácticamente lleno el recipiente de me dida, suministrado por el instructor, vacíelo en alguna de las tinas del laboratorio. Asegúrese también de que el nivel de agua dentro del tanque del banco hidráulico FME00/B sea el apropiado. Consulte al instructor. De ser necesario llene el tanque del banco hidráulico FME00/B. 13. Repita los pasos 10, 11, y 12 para otras 9 aperturas diferentes de la válvula del control del equipo FME06. Al menos durante la última apertura de dicha válvula de control, se debe observar que el colorante se disperse completamente en el agua. Para compensar el bajón de nivel dentro del depósito de 10 L, producto de la apertura de la válvula de control de FME06, abra progresivamente la válvula de control del banco hidráulico FME00/B. 14. Una vez finalizado lo anterior, cierre la válvula de control tanto del FME06 como del banco hidráulico FME00/B. También cierre la válvula reguladora de colorante y vacié el recipiente de medida suministrado por el instructor. Apague la bomba. Asegúrese también de que el nivel de agua dentro del tanque del banco hidráulico FME00/B sea el apropiado. Consulte al instructor. De ser necesario llene el tanque del banco hidráulico FME00/B. 15. Repita los pasos 8 y 9. 16. Asegúrese que el depósito de tinta aún se encuentre suficientemente lleno. Consulte al instructor. 17. Con la válvula de control del FME06 aún cerrada, abra la válvula reguladora de colorante hasta que el diámetro interior de la tobera se encuentre completamente cubierto de tinta. 18. Abra rápidamente la válvula de control del FME06 y observe como se genera el perfil de velocidades dentro del tubo de visualización. Tome una fotografía. 19. Repita los pasos del 14 al 18 para al menos dos aperturas distintas de las válvula de control del equipo FME06.
Nota: La presente guía de laboratorio fue elaborada por Arturo Arosemena.
20. Sí cuenta con un termómetro mida la temperatura del agua. De lo contrario suponga alguna temperatura. 21. Tras finalizar la experiencia vacié el recipiente de medida suministrado por el instructor. 22. Mida el diámetro del recipiente de medida suministrado por el instructor. Nota: En caso de tener alguna duda acérquese al instructor de laboratorio. Resultados.
1. A partir de los datos obtenidos, para cada cambio de elevación en el recipiente de medida, determine: el caudal de agua dentro del tubo de visualización, la velocidad del agua dentro del tubo de visualización, y el número de Reynolds respectivo. Registre en la tabla 1. 2. Observe el comportamiento del flujo a determinados números de Reynolds. Para esto último asocie las fotografías tomadas al flujo a su correspondiente número de Reynolds. 3. Grafique el caudal ( ̇ , m3/s) vs. el número de Reynolds (). 4. Compare las tres fotografías tomadas del perfil de velocidad dentro del tubo de visualización. Número de medición
Cambio de elevación en el recipiente de medida (m)
Flujo volumetrico dentro del tubo de visualización (m3/s)
Velocidad del agua dentro del tubo de visualización (m/s)
Número de Reynolds
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Tabla 1. Cambio de elevación dentro del recipiente de medida, flujo volumétrico dentro del tubo de visualización, velocidad del agua dentro del tubo de visualización, y número de Reynolds correspondiente al flujo, ante diferentes aperturas de la válvula de control del FME06. Preguntas.
1. De acuerdo a las fotografías tomadas y a los correspondientes números de Reynolds calculados, ¿hasta qué número de Reynolds se observa flujo laminar?, ¿en qué rango de números de Reynolds observo flujo de transición?, ¿a partir de qué número de Reynolds observo flujo turbulento?, ¿son consistentes sus resultados con la clasificación de flujo
Nota: La presente guía de laboratorio fue elaborada por Arturo Arosemena.
(laminar, transitorio, y turbulento) convencional mostrada en el marco teórico?, de no ser consistentes, ¿a qué cree que se deba este hecho?. 2. ¿Cómo varia el número de Reynolds con el aumento de caudal?. 3. ¿Qué formas tienen los perfiles de velocidad observados en el tubo de visualización?, ¿a qué se debe está forma en el perfil de velocidad?. 4. De acuerdo a las tres fotografías tomadas de los perfiles de velocidad en el tubo de visualización, ¿qué observa que sucede con el perfil al ir aumentando la apertura de la válvula de control del FME06?, ¿a qué cree que se debe este hecho?. Referencia.
1. Çengel, Y., Cimbala, J., 2012, MECANICA DE FLUIDOS: Fundamentos y Aplicaciones, McGraw-Hill. 2. Manual del equipo FME06 de EDIBON para realizar el experimento de Osborne Reynolds.
Nota: La presente guía de laboratorio fue elaborada por Arturo Arosemena.
