Laboratorio de Mecánica de Fluidos I Visualización de Flujo 13/06/2016, I Término 2016 Gómez De La Cruz Jimmy Edison Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP) Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL) Guayaquil - Ecuador
[email protected] Resumen La visualización de flujo es una de las primeras herramientas pedagógicas para poder comprender de mejor forma el comportamiento de un fluido en diversas geometrías, como objetivo de ésta práctica se tiene la observación de las líneas de flujo y como cambian alrededor de cada uno de los cuerpos, en este caso se observó líneas de flujo por convección forzada, ya que es más sencillo notar sus variaciones que cuando éste se encuentra en convección natural, puesto que su movimiento es más complejo, todo esto se logra al vaporizar el queroseno en la parte baja del equipo, luego éste humo pasa por veinte y tres arroyos formando así líneas visibles de humo y no disperso, con lo que se puede apreciar de mejor forma su flujo, y tiene un ventilador en la parte superior del equipo que ocasiona la convección forzada del humo, en cada uno de las geometrías expuestas se observó un comportamiento diferente, en cada caso se citaba las aplicaciones que tienen cada una de ellas, como el ala de avión, que por diferencia de presiones se eleva. Todo lo observado es un punto de partida para dar criterios de diseño de tuberías y así disminuir las pérdidas energéticas, dependiendo en cada caso la aplicación de la misma. Palabras Clave: Convección forzada, humo, líneas de flujo y visualización de flujo.
Abstract The visualization of the flux is one the first pedagogic tools to understand in a better way the behavior of the flux in different geometries, the main objective of this experiment is the observation of the streamlines and how it changes in the surround of each one of the bodies, in this case it is observed the streamlines with forced convection, inasmuch as is straightforward notice the variations comparing with this is in natural convection, since its movement is more complex, all of this is achieved vaporizing the kerosene in the bottom of the equipment, afterwards this smoke pass through twenty tree streams forming visible lines of smoke and not scattered, with it we can visualize in a better way its flux and it has a fan in the upper of the equipment that trigger the forced convection of the smoke, in each one of the exposed geometries it is observed a different behavior, in each case it was recalled its enforcement, for example the wing of the airplane, that because of the differences of pressures it rises up. All the observed is a started point to give designs principles of pipelines and decreases the energy loses, depending in each case the enforcement of it. Keywords: Forced convection, smoke, streamlines and visualization of the flux.
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Introducción
Equipos, Instrumentación y Procedimiento
El movimiento de los fluidos puede ser descrito bajo diversos criterios y por medio de ecuaciones con una muy buena aproximación, pero debido a su alta complejidad, en cuanto a resolución de ecuaciones, existe un método sencillo para su observación, el cuál es usado para definir criterios de diseño aerodinámico de diferentes partes de un vehículo, aviones, entre otros. Dado un campo de velocidades;
Cámara de Humo
Ventilador
Luces
𝑉(𝑥, 𝑦, 𝑧) = 𝑢𝒊 + 𝑣𝒋 + 𝑤𝒌 Se puede obtener las líneas de flujo a partir de la siguiente expresión matemática; 𝑑𝑥 𝑑𝑦 𝑑𝑧 = = 𝑢 𝑣 𝑤 En la mayoría de los casos se dificulta la obtención de las líneas de flujo ya que el campo de velocidades, las expresiones que lo modelan, son muy complejas de obtener, y se realiza de forma experimental, en ésta práctica sólo nos centraremos en la observación de las líneas de flujo, puesto que la obtención de las ecuaciones que gobiernan este tipo de fenómenos está fuera de nuestro alcance. Concentradores de humo
Para la observación del flujo se usa el vapor de queroseno, ya que éste tipo de fluido se nota con facilidad su movimiento en medio del aire, el equipo está compuesto de veinte y tres ductos, los cuales hacen que el flujo sea más ordenado en cuanto a su visibilidad, el queroseno al vaporizarse se torna de color plomo, se usan diferentes geometrías para observar el comportamiento del fluido al cruzar entre éstas superficies, para poder observar las líneas de flujo a través del cuerpo se usa un ventilador que está ubicado en la parte superior, dando lugar a la convección forzada, y de ésta forma se mantienen las líneas de flujo hasta alcanzar la superficie del cuerpo en cuestión, de otra forma, sólo dejando que sea convección natural, éste no sería fácilmente visible, ya que se observaría la dispersión del humo en medio del aire sin seguir el orden por el cual es forzado al usar el ventilador.
Reservorio de queroseno
Figura 1
Geometría de prueba Perilla de control del Generador de ventilador Humo
Figura 2
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Equipo: Túnel de viento Marca: PLINT Serie: TE80/4106 Modelo: TE80/4106 Código ESPOL: 02699 Ya que sólo se realizaron observaciones no fue necesario el uso de algún instrumento de medición.
Resultados
Para el caso de las aletas, se observa un comportamiento muy similar al cilindro, ya que son iguales en forma, presentando una pequeña acumulación de masa en la parte trasera del cilindro, la disposición varía un poco para las aletas que se encuentran en la segunda y tercera fila, ya que al pasar el fluido por la primera fila se torna turbulento para la segunda, acumulando una menor cantidad de masa detrás de éstos.
Se visualizó las líneas de flujo en diferentes cuerpos geométricos y en diferentes composiciones, el primero observado fue el cilindro;
Figura 5
Figura 3
Se observa una gran masa de aire en la parte trasera del cilindro, además se puede apreciar que las líneas de flujo se unen en la sección mayor del cilindro.
Figura 4
Para el caso de la esfera se observa un comportamiento muy similar al del cilindro, pero comparando las dos geometrías se tiene que la cantidad de masa en el cilindro será mayor que la cantidad de masa en la esfera, ya que en la esfera las líneas de flujo rodean la geometría, mientras que en el cilindro sólo cruzan por los costados.
Figura 6
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Para el caso de la placa plana con una circunferencia hueca en el centro se observa acumulaciones de masa en las secciones planas, en el centro no existe distorsión alguna ya que el flujo no es interrumpido, pero las secciones planas interrumpen el flujo dando lugar a que las líneas de flujo se junten más en los extremos.
Para el caso de las tuberías con disposición de codo con noventa grados se tiene que se forma un fluido en rotación en la parte de la salida formando una mayor turbulencia, esto se da ya que el cambio de dirección es muy repentino, a diferencia de otros diseños que permiten establecer un cambio de forma gradual.
Figura 7 Figura 9
En el caso de los ductos curvos se tiene una mayor turbulencia, lo que conlleva a pérdidas energéticas del flujo, por lo general en la mayoría de diseño de tuberías se intenta evitar este tipo de configuraciones, en la parte baja se observa una mayor separación de las líneas de flujo, en cambio en la parte superior se observa líneas de flujo más unidas.
Figura 8
En ésta configuración se puede observar que el flujo es más ordenado, ya que está compuesto por pequeñas metales con sección curva que permiten ordenar el flujo, no se genera tanta turbulencia en comparación a las configuraciones anteriores.
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Análisis de Resultados, Conclusiones y Recomendaciones En la visualización de flujo se tuvo ciertas dificultades, puesto que no se logró observar con mucha claridad, ya que el tubo que conectaba la cámara con el queroseno se encontraba con fugas, y parte del humo no pasaba y como resultado no se observaba con claridad.
Referencias Bibliográficas/ Fuentes de Información -Munson, Bruce R., Young, Donald F., Okiishi, Theodore H., Huebsch, Wade W., Fundamentals of Fluid Mechanics, Sixth Edition, (2009), Wiley, Iowa USA. -Guía de Laboratorio de Mecánica de Fluidos I
Este tipo de pruebas se realiza con mucha frecuencia a la hora de diseñar cualquier tipo de elemento que será sometido a flujos, ya que con análisis dimensional se puede obtener resultados a escala, es decir, que se usan un prototipo, y en base a esto se realizan los diseños reales considerando criterios de diseño al observar cómo se comporta el fluido al pasar a través de las superficies del elemento a analizar. Se puede observar que las mejores disposiciones de tuberías son aquellas que generan menos turbulencia, ya que con ello tienen menos pérdidas energéticas y se facilita su flujo a través de la misma, por lo tanto se usan codos con variaciones de dirección bruscas únicamente cuando no existe otra forma de disponer el ducto.
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