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Práctica de Laboratorio No.3 AUTORES: Castillo López, Stefani Margarita Serrano Molina; Emilio Francisco
[email protected],
[email protected] INSTRUCTOR: Saúl Abraham Caballero Espinoza
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En Abstrac Abstracto to — En
el presente informe, se pretende determinar el comportamiento del régimen de flujo en estado estacionario, cuando se presentan ciertas perturbaciones debido a los cuerpos que se oponen al flujo. También se determinará determinará la distribución de presión y velocidad a través del tubo de Venturi y finalmente se determinará la relación existente entre el caudal y la presión al medir los caudales mediante distintos medidores. Fig. 1 Ejemplo sobre Flujo Laminar y Flujo Turbulento
Palabras Clave —
B. Principio de Bernoulli
I. INTRODUCCIÓN A. Campos de Flujo
Un campo de flujo es cualquier región en el espacio donde hay un fluido en movimiento, a condición de que la región o subregión del flujo este ocupada por el fluido. [1] El movimiento de un fluido está definido por un Campo Vectorial de Velocidades correspondientes a las partículas del flujo, y un Campo Escalar de Presiones en función de la posición y el tiempo, tiempo, correspondientes correspondientes a los distintos puntos del mismo. [1] Se denomina Línea de Flujo a la trayectoria seguida por un elemento de un fluido móvil. En general, a lo largo de la línea de flujo, la velocidad del elemento varía tanto en magnitud como en dirección. Si todo elemento que pasa por un punto dado sigue la misma trayectoria que los elementos precedentes, se dice que el flujo es estacionario. [1] La ecuación matemática que describe a los fluidos en movimiento es el número de Reynolds (adimensional):
=
.1
Relación entre la densidad multiplicada por el diámetro del conducto por la velocidad del fluido, dividido entre la viscosidad del fluido. [1] Dependiendo del resultado de este número de Reynolds se puede clasificar clasificar como:
< 2000 2000 2000 < <= 2300 2300 ó ó > 2300 2300
El principio de Bernoulli, también denominado ecuación de Bernoulli o trinomio de Bernoulli, describe el comportamiento de un fluido moviéndose a lo largo de una corriente de agua. Fue expuesto por Daniel Bernoulli en su obra Hidrodinámica (1738) y expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento) en régimen de circulación por un conducto cerrado, la energía que posee el fluido permanece constante a lo largo de su recorrido. [2] C. Ecuación de Bernoulli Bernoulli
La energía de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes:
Cinética: es la energía debida a la velocidad que posea el fluido; Potencial o gravitacional: gravitacional: es la energía debido a la altitud que un fluido posea; Energía de presión: es la energía que un fluido contiene debido a la presión que posee.
La siguiente ecuación conocida como "Ecuación de Bernoulli” (trinomio de Bernoulli) consta de estos mismos términos:
+ + = .2 .2 2 : velocidad del fluido en la sección considerada :densidad del fluido : presión a lo largo de la línea de corriente :aceleración gravitatoria :altura en la dirección de la gravedad desde una cota de referencia. Para aplicar la ecuación se deben realizar los siguientes supuestos:
2
Viscosidad (fricción interna) = 0. Es decir, se considera que la línea de corriente sobre la cual se aplica se encuentra en una zona 'no viscosa' del fluido. [2] Caudal constante
-
-
medidor que permite medir el gasto del fluido, a partir de una diferencia de presión entre el ligar por donde entra la corriente y el punto, calibrable, de mínima sección del tubo, en donde su parte ancha final actúa como difusor. [3]
Flujo incompresible, donde ρ es constante.
-
La ecuación se aplica a lo largo de una línea de corriente o en un flujo laminar.
Aunque el nombre de la ecuación se debe a Bernoulli, la forma arriba expuesta fue presentada en primer lugar por Leonhard Euler. [2] Un ejemplo de aplicación del principio se da en el flujo de agua en tubería. [2] D. Medidores de Flujo Diferencial de Presión
Se entiende como medidor diferencial a aquel cuyos principios de medición se infieren el resultado final. [3]
Fig. 3 Venturímetro
Analizando las distribuciones de presión y velocidad a lo largo del tubo de Venturi, según la figura. El tubo consta de una zona de contracción, en el cual el diámetro disminuye desde un valor hasta alcanzar un valor mínimo en la garganta , seguida de un pequeño tramo recto de diámetro , y finalmente de una zona de expansión en la cual el diámetro aumenta de nuevo hasta alcanzar el valor inicial . [3]
II. MATERIALES Y EQUIPO
Los medidores diferenciales de presión se identifican, por la característica de su elemento primario, en el cual se crea una diferencia o caída de presión que depende de la velocidad y densidad del fluido. Esta diferencia es medida por un segundo elemento llamado secundario. [3] Los más comunes son: -
El venturímetro. El rotámetro La placa de orificio.
Fig. 4 Canal de Flujo
E. El rotámetro
Los rotámetros son medidores de caudal de área variable en los cuales un flotador cambia su posición dentro de un tubo en función del caudal que pasa por dicho tubo. Las fuerzas que actúan sobre el flotador están representadas en la figura. [3]
Fig. 5 Placa Curva
Fig. 2 Rotámetro
F. Venturímetro
El Tubo de Ventura fue creado por el físico e inventor Giovanni Ventura (1746 - 1822). Fue profesor en las ciudades de Modena y pasiva. Realizo estudios referidos a la óptica, calor e hidráulica. En este último campo desarrollo el medidor diferencial de presión que lleva su nombre, según el cual es un
Fig. 6 Cilindro
3
Fig 12. Rotámetro
Fig 7. Tobera
Fig 8. Pala aerodinámica 30 grados.
Fig 13. Equipo HM 150.13 de medición de caudal
III. DATOS EXPERIMENTALES A. Demostración: “Visualización de campos de flujo” TABLA I
Fig 9. Pala aerodinámica.
Fig 10. Placa cuadrada
“VISUALIZACIÓN DE CAMPOS DE FLUJO ”
Cuerpo de Flujo
Velocidad
Cilindro
Lenta
Pala aerodinámica
Media
Tobera
Rápida
Difusor
Rápida
Cubo
Media
Placa Curva
Lento
Placa Cuadrada Placa aerodinámica
Fig 11. Cubo
Media Rápida
Observaciones Entra laminar sale turbulento Entra turbulento sale turbulento Entra turbulento sale turbulento Entra turbulento sale turbulento Entra laminar sale turbulento Entra laminar sale turbulento Entra laminar Sale turbulento Entra laminar sale turbulento
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V. INVESTIGACIÓN ADICIONAL
B. Experimento: “El tubo de Venturi” TABLA II “DISTRIBUCIÓN R EAL DE PRESIÓN ”
A. “Visualización de campos de flujo”
Tubo Piezométrico
h1 mm de H2O
h2 mm de H2O
1 2 3 4 5 6
115 75 25 50 195 60
110 95 20 55 200 20
1. Dos aplicaciones de flujo en cuerpos sumergidos. R// Los Submarinos son un claro ejemplo de un cuerpo sumergido en un flu ido. Como se sabe los submarinos son capaces de sumergirse, emerger y flotar; en estas tres fases los submarinos están en constante navegación, donde se ven enfrentados a diferentes corrientes de agua con gran fuerza de arrastre, es de esperar que cada submarino cuente con un eficiente sistema previsto para vencer esta fuerza y poder navegar en el sentido deseado.
= 200 ⁄ = 400 ⁄ C. Principios Básicos de la Medida de Caudales”
1. Rotámetro TABLA II “MEDICIÓN DE CAUDAL POR R OTÁMETRO ”
Pérdida de presión en mm de H2O
Indicación de caudal [L/h]
Volumen medido HM 150 en [L]
Tiempo de medición HM en [s]
85-70 105-85 335-165
350 420 800
2 2 2
17.55 15.67 08.82
Fig 14. Submarino
Fig 15. Buzo
Ocurre de manera similar para los buzos, quienes al sumergirse en aguas se ven expuestos a diferentes corrientes las cuales no siempre están a su favor, así que deben de entrenarse para tener técnicas y el equipo adecuado para poder descender y ascender sin que las corrientes de agua les presenten mayor dificultad, siempre y cuando estas sean leves y no amenacen con tener una fuerza de arrastre mayor a la que el buzo pueda soportar.
2. Diafragma o Boquilla B. Venturímetro TABLA IV “MEDICIÓN DE CAUDAL POR DIAFRAGMA/BOQUILLA”
Pérdida de presión en mm de H2O
Indicación de caudal [L/h]
Volumen medido HM 150 en [L]
Tiempo de medición HM en [s]
65-40 215-95 305-160
495 600 750
2 2 2
12.00 11.11 08.41
1. ¿Qué efecto tendría sobre los resultados el hecho que el tubo de Venturi no estuviese horizontal? R/Puede incluirse la necesidad d energía en el sistema debido al ángulo de inclinación y las alturas piezométricas variarían mucho más. VI. CAUSAS DE ERROR -
3. Pitot TABLA V “MEDICIÓN DE CAUDAL POR PITOT”
Pérdida de presión en mm de H2O
Indicación de caudal [L/h]
40-20 45-35 50-40
300 450 500
Volumen medido HM 150 en [L]
Tiempo de medición HM en [s]
2 2 2
19.49 13.95 13
-
-
-
IV. RESULTADOS
En el experimento de demostración de flujo, al quedar a consideración del espectador la identificación del tipo de flujo es inevitable el error a causa del ojo humano, ya sea por falta de visión, fatiga o cansancio. El no tener alineados los objetos hidrodinámicos utilizados (con respecto a un eje cartesiano vertical y horizontal. Al momento de cronometrar el tiempo para medir el caudal, no hubo precisión entre el tiempo al empezar a correr el caudal y el tiempo en que se empezaba a medir el volumen. Los accesorios extras influyen en la efectividad del experimento para la medición del caudal.
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VII. CONCLUSIONES 1. Se concluye que al aumentar la velocidad de flujo se pasa de un régimen laminar a uno turbulento, y como consecuencia aumenta el número de Reynolds. De modo que los objetivos fueron satisfechos comprendiéndose la relación de la velocidad con el régimen de flujo y los efectos en número de Reynolds. 2. La perturbación del paso de un flujo uniforme depende de la geometría de los perfiles que se coloquen sobre la mesa y de la orientación en que se coloquen. 3. Se verificó que las medidas de caudal son independientes de la presión a lo largo de las tuberías, lo que es consistente con la ecuación de conservación de masa. 4. La aplicación de la ecuación de Bernoulli en flujos reales donde las pérdidas son considerables no resulta práctica y acertada. En el experimento del laboratorio las pérdidas que se presentan se deben al flujo en las entradas de la tubería y al flujo interno en esta misma. REFERENCIAS [1]"Practica de laboratorio No.3", uca.edu.sv, 2018. [En línea]. Disponible en: https://mail.google.com/mail/u/1/#search/jimmy/1613fe2891deaeb3?projector =1&messagePartId=0.1. [Acceso: 06- Feb- 2018]. [2]"Teorema de Bernoulli y sus Aplicaciones", peraltablog, 2018. [En línea]. Disponible en: https://peraltablog.wordpress.com/fisica/segundo-corte/fluidos/bibliografiade-daniel-bernoulli/teorema-de-bernoulli-y-sus-aplicaciones/. [Acceso: 06Feb- 2018]. [3]"Lab. medida de flujo de caudal", Es.slideshare.net, 2018. [En línea]. Disponible en: https://es.slideshare.net/damiansolis712/lab-7-medida-de-flujo. [Acceso: 06- Feb- 2018].
