1. Perfiles de Velocidad Velocidad en Flujo Laminar y Turbulento. Turbulento. 2. Ob Obje jeti tivo vos. s. •
• •
Observar Observar la diferencia entre el flujo laminar, turbulento turbulento y transición y los diferentes perfiles de velocidad. alcular el n!mero de "eynolds. #eterminar los diferentes perfiles de velocidad.
$. Funda Fundamento mento Te Teórico. 3.1.
El equipo.
%l prototipo consiste en un tan&ue encar'ado de contener el l(&uido con el cual se va a trabajar en nuestro caso a'ua, &ue a su ve) tiene conectado un tubo el cual cuenta con una llave re'uladora de flujo por su parte contraria a la conectada al tan&ue adem*s de estar esta fija a una tabla &ue mantendr* recta la man'uera para &ue as( no e+ista nin'una alteración al momento de reali)ar el flujo. espacio para dibujo como un cuarto de -oja
3.2.
Fenómeno fí físico si simplicado.
Para calcular la cantidad de ener'(a perdida debido a la fricción en un sistema de fluido, es necesario caracteri)ar caracteri)ar la naturale)a del flujo. /n flujo lento y uniforme se conoce como flujo laminar, mientras &ue un flujo r*pido y caótico se conoce como flujo turbulento. Los m0todos &ue se utili)an para calcular la p0rdida de ener'(a son diferentes para cada tipo de flujo. #e esta manera, para la b!s&ueda del tipo de flujo, se utili)a el n!mero de "eynolds. uando se -abla de la naturale)a del flujo, se alude al comportamiento de las part(culas fluidas al moverse. #e a-(, se conocen dos tipos de flujo o r0'imen laminar y turbulento. Para comprender comprender a mayor plenitud los tipos de r0'imen en un flujo, es necesario precisar &u0 es un flujo laminar y &u0 es un flujo turbulento.
3.2.1. Ré Régimen gimen laminar laminar.. Las part(cu part(culas las se mueven mueven si'uiend si'uiendo o trayecto trayectorias rias uniforme uniformes, s, or'ani)a or'ani)adas das por capas capas conc0ntricas adyacentes, desli)*ndose una sobre otra, pero sin me)clarse. %l l(&uido en una tuber(a se mover* pues en el sentido de la corriente, pero las velocidades a la &ue se desli)an unas capas sobre otras ser* creciente, m(nima junto a la pared del tubo y m*+i m*+ima ma al lle' lle'ar ar al eje eje del del tubo tubo.. %n este este r0'i r0'ime men n se cump cumple le fiel fielme ment nte e la Ley Ley de Viscosidad de e3ton.
4lustración del flujo laminar en un
orriente de tinta en un flujo
conducto circular
laminar
3.2.2. Régimen turbulento uando la velocidad de flujo de un fluido resulta suficientemente 'rande, se rompe el flujo laminar y se establece la turbulencia. La velocidad cr(tica por encima de la cual el flujo &ue fluye a trav0s de un tubo resulta turbulento depende de la densidad y de la viscosidad del fluido y del radio del tubo.
$orriente de tinta que se me%cla en un &u'o
%l r0'imen turbulento es el m*s -abitual. Las part(culas l(&uidas se mueven a-ora si'uiendo trayectorias err*ticas y formando turbulencias y torbellinos. Las capas ya no son paralelas desli)ando unas sobre otras, sino &ue se me)clan por completo.
3.2.3. Experimento de sborne Re!nolds Para comprobar el comportamiento laminar y turbulento de los fluidos, Osborne "eynolds planteó un e+perimento &ue consiste en inyectar un l(&uido coloreado mediante una bo&uilla en el interior de una corriente. La velocidad de la corriente se va incrementando -asta &ue el flujo laminar antes descrito desaparece, las l(neas rectas coloreadas se vuelven sinuosas -asta me)clarse por completo.
3.3.
"odelo matem#tico.
!mero de "eynolds. %l n!mero de "eynolds es un par*metro adimensional relacionado con las caracter(sticas del flujo, &ue influye notablemente en el valor de las p0rdidas de car'a, emple*ndose en ocasiones tambi0n para delimitar el campo de calide) de las distintas e+presiones de la ecuación de p0rdidas m*s utili)adas. 5e define como la relación entre las fuer)as de inercia y las fuer)as viscosas fuer)as de fricción en el interior de una corriente.
%l n!mero de "eynolds es el par*metro utili)ado para clasificar el r0'imen de una corriente l(&uida. Osborne "eynolds en su e+perimento observó &ue siempre el r0'imen se manten(a laminar si "e62777. 8 este valor se le denomina valor cr(tico inferior. Para condiciones en &ue el n!mero de "eynolds est* entre 2777 y 9777, se produce una )ona cr(tica o inestable. uando "e (9777, se -ace referencia al r0'imen turbulento. Para -allar el n!mero de "eynolds, debemos contar con la velocidad cr(tica, la viscosidad cinem*tica del fluido y con el di*metro de la tuber(a.
5iendo :, caudal. #, di*metro. Vc, velocidad cr(tica. u, viscosidad cinem*tica. ;, Viscosidad. dejar espacio como un cuarto de -oja
3.).
Referencias.
. !mero de "eynolds, flujo laminar y flujo turbulento Objetivos.
9. #iseCo de la pr*ctica. ).1.
Equipo ! materiales.
Equipos. +rototipo de Re!nolds •
"ateriales ! *ustancias. ,ernier. 2 ,asos de precipitados de 1--- ml. 1 ,aso de precipitados de 2--ml. eringa con agu'a. /ermómetro de 1-- 0$. $ronometro. %ul de "etileno. •
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• • • •
).2.
esarrollo de la pr#ctica.
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5e prepara una solución de a)ul de metileno y esta me)cla se vierte en la jerin'a. 5e procede a abrir la llave de paso del prototipo, de manera &ue circule el a'ua
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por el e&uipo de "eynolds. /na ve) &ue el a'ua -aya circulado bien y durante un tiempo prudente, inyectar
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con ayuda de la a'uja de la jerin'a el a)ul metileno. 5e visuali)an los tipos de flujos. D, para cada tipo de flujo se si'uen los pasos
•
si'uientes. 5e procede a buscar el caudalE esto se -ace calculando con un cronómetro el
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tiempo tarda en acumularse cierta cantidad de volumen de a'ua. 5e calcula la velocidad cr(tica y el n!mero de "eynolds. Para reali)ar esos
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• •
c*lculos se necesita tomar la temperatura del fluido y, posteriormente, buscar la viscosidad cinem*tica del mismo. 5e toma as( tambi0n con ayuda del vernier el di*metro de la tuber(a de descar'a. 5e anali)a si el n!mero de "eynolds obtenido a ra() de los c*lculos coincide con el tipo de flujo &ue se pudo visuali)ar. 5e considera &ue el flujo es laminar para un r entre 7 y 2177 y de esta manera se 'eneran los perfiles de velocidad.
dejar espacio como un cuarto de -oja
*e prepara una solución de a%ul de metileno ! esta me%cla se 3ierte en la 'eringa .
*e 3isuali%an los tipos de &u'os. 74 para cada tipo de &u'o se siguen los pasos siguientes.
*e toma así también con a!uda del 3ernier el di#metro de la tubería de descarga.
*e procede a abrir la lla3e de paso del prototipo4 de manera que circule el agua por el equipo de Re!nolds.
5na 3e% que el agua 6a!a circulado bien ! durante un tiempo prudente4 in!ectar con a!uda de la agu'a de la 'eringa el a%ul metileno.
*e procede a *e calcula la 3elocidad buscar el caudal8 crítica ! el n9mero de esto se 6ace Re!nolds. +ara reali%ar calculando con un esos c#lculos se necesita cronómetro el tomar la temperatura del tiempo tarda en &uido !4 posteriormente4 acumularse cierta buscar la 3iscosidad cantidad de cinem#tica del mismo . 3olumen de agua. *e anali%a si el n9mero de Re!nolds obtenido a raí% de los c#lculos coincide con el tipo de &u'o que se pudo 3isuali%ar. *e considera que el &u'o es laminar para un :r entre - ! 21-- ! de esta manera se generan los perfles de 3elocidad.
espacio para dibujos como media -oja
A. ?oja de datos. Régimen ,isuali%ado. =aminar 1 =aminar 2 /ransitorio 1 /ransitorio 2 /urbulento 1 /urbulento 2
,olumen de gua ;m3<
/iempo ;s<
istancia ;m<
