Práctica N° 1:Visualización de Flujo de Fluidos
27 de Abril, 2015
Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Ticomán Ingeniería Aeronáutica Dinámica de Fluidos Práctica N! Visualización de Flujo de Fluidos
Integrantes" Campa Garza Luis Guillermo Cortez Rubio Luis Fernando Cruz Hernández Eduardo Alberto Cruz Hernández Raymundo Espinosa Prez Guillermo
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Práctica N° 1:Visualización de Flujo de Fluidos
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Práctica N° 1:Visualización de Flujo de Fluidos
27 de Abril, 2015
Introducci$n Visualización de $lujo en la diná%ica de $luidos se utiliza "ara &acer los "atrones de $lujo 'isible, con el $in de obtener una in$or%ación cualitati'a o cuantitati'a sobre ellos( Visualización de $lujo es el arte de &acer los "atrones de $lujo 'isible( )a %a*or+a de los l+!uidos son trans"arentes, "or lo !ue los "atrones de $lujo son in'isibles "ara nosotros sin al#unos %todos es"eciales "ara &acerlos 'isibles( -istórica%ente, estos %todos inclu*en %todos e."eri%entales, co%o dicen tinta se derra%e en a#ua( /on la i%"ortancia de los %odelos de co%"utadoras en todo ti"o de in#enier+a cantidades crecientes * enor%es de los datos obtenidos de los "rocesos de $lujo de si%ulación, %todos "ura%ente co%"utacionales se &an desarrollado(
!todos de Visualización n diná%ica de $luidos e."eri%entales, los $lujos son 'isualizados "or tres %todos:
Visualización del "lujo super"icial :
sta re'ela el $lujo a#iliza en el l+%ite de %edida !ue se a"ro.i%a una su"er$icie sólida( Aceite de color a"licado a la su"er$icie de un %odelo de tnel de 'iento "ro"orciona un eje%"lo(
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!todos de rastreo de part$culas%
)as "art+culas, co%o el &u%o, se "ueden aadir a un $lujo de rastrear el %o'i%iento del $luido( Pode%os ilu%inar las "art+culas con una lá%ina de luz láser con el $in de 'isualizar una rebanada de un "atrón de $lujo de $luido co%"licado( 3u"oniendo !ue las "art+culas si#uen $iel%ente las l+neas de corriente del $lujo, no "ode%os sólo 'isualizar el $lujo, sino ta%bin %edir su 'elocidad %ediante la i%a#en de 'eloci%etr+a de "art+culas o "art+culas %todos de se#ui%iento de 'eloci%etr+a(
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Los mtodos ópticos%
Al#unos $lujos re'elan sus "atrones a tra's de los ca%bios en el +ndice de re$racción ó"tica( stos son 'isualizados "or %todos ó"ticos conocidos co%o el #ra$o de so%bras, $oto#ra$+a 3c&lieren, * la inter$ero%etr+a( 4ás directa%ente, los colorantes se "ueden aadir a los $lujos "ara %edir las concentraciones, "or re#la #eneral el e%"leo de la atenuación de la luz o de las tcnicas de $luorescencia inducida "or láser(
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n los $lujos de 'isualización cient+$ica se 'isualizan con dos %todos "rinci"ales:
)os %todos de análisis, !ue analizan un $lujo deter%inado * %uestran "ro"iedades co%o 6"ti%iza, strealines * tra*ectorias( l $lujo se "uede ad%inistrar *a sea en una re"resentación $inita o co%o una $unción sua'e( 4todos de ad'ección te.tura te.turas 8cur'a8 de acuerdo con el $lujo( A %edida !ue la i%a#en es sie%"re $inita, estos %todos se 'isualizan a"ro.i%aciones de la corriente real(
&'nel de Viento s una &erra%ienta de in'esti#ación desarrollada "ara a*udar en el estudio de los e$ectos del %o'i%iento del aire alrededor de objetos sólidos( /on esta &erra%ienta se si%ulan las condiciones !ue e."eri%entará el objeto de la in'esti#ación en una situación real( n un tnel de 'iento, el objeto o %odelo, "er%anece estacionario %ientras se "ro"ulsa el "aso de aire o #as alrededor de l( 3e utiliza "ara estudiar los $enó%enos !ue se %ani$iestan cuando el aire baa objetos co%o a'iones, na'es es"aciales, %isiles, auto%ó'iles, edi$icios o "uentes( l aire es so"lado o as"irado a tra's de un conducto e!ui"ado con rejillas estabilizadoras al co%ienzo "ara #arantizar !ue el $lujo se co%"orte de %anera la%inar o con obstáculos u otros objetos si se desea !ue se co%"orte de $or%a turbulenta( )os %odelos se %ontan "ara su estudio en un e!ui"o lla%ado balanza a la cual están adosados los sensores !ue brindan la in$or%ación necesaria "ara calcular los coe$icientes de sustentación * resistencia, necesarios "ara conocer si es $actible o no e%"lear el %odelo en la 'ida real( Ade%ás son e%"leados otros dis"ositi'os "ara re#istrar la di$erencia de "resiones en la su"er$icie del %odelo en cuestión( )os resultados "rácticos deben ser co%"arados con los resultados teóricos, teniendo $unda%ental%ente en cuenta el N%ero de 9e*nolds * el N%ero 4ac& !ue constitu*en los criterios de 'alidación en las "ruebas con %odelos a escala( 6tras "ruebas realizadas en tneles de 'iento Pueden unirse &ebras a la su"er$icie de estudio "ara detectar la dirección del $lujo de aire * su 'elocidad relati'a( Pueden in*ectarse tintes o &u%o en el $lujo de aire "ara obser'ar el %o'i%iento de las "art+culas, o sea, co%o se turbulizan al "asar "or la su"er$icie( Pueden insertarse sondas en "untos es"ec+$icos del $lujo de aire "ara %edir la "resión estática * diná%ica del aire(
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DESA%%&''& DE 'A P%()TI)A 1(; Visualización de $lujo "or %edio de in*ección de &u%o
Fi(ura )*+ Auto sedan y camioneta respecti,amente
n la $i#ura 1 se a"recia !ue en el $inal del auto, el $luido e%"ieza a "erder la $or%a la cual lle'aba, esto "or!ue "ierde la #eo%etr+a del auto instantánea%ente * no tiene a !ue ad&erirse, de este %odo "ierde ener#+a e intenta ad&erirse a lo !ue "ueda del auto(
Fi(ura -*+ Es"era lisa
n la $i#ura 2 se a"recia !ue las l+neas de &u%o "or las cuales la es$era atra'iesa se 'en a$ectadas "or su área base, en este caso un c+rculo, *a !ue el $lujo no "uede "asar libre%ente sino %ás bien las corrientes c&ocan * !uedan ad&eridas a la es$era ob'ia%ente %ediante el "aso se 'an alejando * "erdiendo ener#+a &asta !ue *a no se ad&ieran %ás al objeto( 3e obser'a !ue es intensa la ad&erencia del $luido * esto es "or!ue co%o toda su #eo%etr+a es cur'a, "or debajo * "or arriba, "er%ite !ue el $luido se ad&iera en %ás "artes al $inal del objeto(
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Fi(ura .*+ Cilindro
n la $i#ura se a"recia un caso %u* si%ilar al de la es$era, en este caso un cilindro el cual "resenta la %is%a área base !ue la es$era, un c+rculo, "ero sin e%bar#o al ser un cilindro &a* %enor ad&erencia del $luido con el objeto *a !ue en un "lano en dirección al $luido es un c+rculo "ero en un "lano "er"endicular al $luido es un rectán#ulo "or esto no "asa lo %is%o !ue en la es$era *a !ue no todo el cuer"o "er%ite $ácil%ente la ad&erencia del $luido "ero en este caso sólo si "lano en dirección al $luido, "ero a "esar de esto an as+ "or ser circular su área base, &a* ad&erencia *a !ue el $luido "ierde rá"ida%ente la $or%a #eo%trica del objeto(
Fi(ura /*+ Pelota de (ol"
n la $i#ura se obser'a una "elota de #ol$ en la cual el $luido es un tanto si%ilar a la es$era lisa, "ero, *a !ue co%o una "elota de #ol$ tiene cierta $or%a #eo%trica sin#ular la cual es un c+rculo con ='alles>, el $luido !ue "asa a tra's de ella se ad&iere de $or%a %ás uni$or%e a la es$era * cuando lle#a a su l+%ite en un 'alle se des'+a el $luido, lo cual "asa en el centro, * #enera 'órtices tales co%o la es$era "ero en este caso %enores *a !ue estos 'alles "retenden &acer !ue el $luido se alinee cuando sal#an de ellos(
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Fi(ura 0*+ Per"il alar sin án(ulo de inclinación 12345
n la $i#ura 5 se obser'a un "er$il alar el cual tiene la sin#ularidad de tener una $or%a #eo%trica "arecida a la de una #ota de a#ua, "ero en este caso, el intradós tiene una $or%a recta a di$erencia del e.tradós !ue tiene una $or%a cur'a * al %o%ento en !ue "asa el $luido "or estas dos "artes se #eneran dos "resiones, una "ositi'a * una ne#ati'a( )a "ositi'a es la !ue está so%etida "or el $lujo !ue "asa en el e.tradós, *a !ue al !uerer ir a la %is%a 'elocidad !ue el $lujo !ue "asa en el intradós, #enera succión "or ir a una 'elocidad %a*or * a su 'ez la "resión es %enor !ue la !ue &a* en el intradós(
Fi(ura 6*+ Per"il alar con án(ulo de inclinación moderado
A di$erencia de la $i#ura 5 con la $i#ura ?, sta "resenta un án#ulo de inclinación el cual es nor%al%ente el !ue se e%"lea "ara realizar la ele'ación en una aerona'e, *a !ue no #enera de%asiado arrastre, * esto se nota al obser'ar !ue los 'órtices !ue se "resentan en el $inal del "er$il son causados a !ue tiende el $luido a ad&erirse al objeto %is%o "ero co%o el $luido "asa del área base se e%"ieza a des"render * una "arte a ad&erirse( 3i se to%ara el "er$il co%o una $i#ura #eo%trica e%"ezar+a a $or%ar un área base de un rectán#ulo de"endiendo de la inclinación a la !ue se encuentre(
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Fi(ura 7*+ Per"il con (ran an(ulo de ata8ue
A di$erencia de la $i#ura ? en esta $i#ura se "uede a"reciar !ue el an#ulo de inclinación del "er$il es %a*or "or lo !ue #enera %as 'órtices, *a !ue el $luido recore el area base objeto una "arte del $luido tiende a des"renderse %ientras !ue otra se ad&iere al objeto( A este an#ulo el "er$il, si se to%ase co%o $i#ura #eo%trica, $or%a un rectán#ulo(
Fi(ura 9*+ Placa rectan(ular con,e:a simulando un ala*
n la $i#ura @ se obser'a un rectán#ulo, este "resenta %uc&a o"osición al "aso del $lujo * al %o'i%iento(
Fi(ura ;*+
n esta $i#ura se obser'a !ue en las es!uinas rectas se i%"acta una "arte del $lujo %ientras la otra "arte continua el recorrido, la "arte i%"actada se estanca * se #enera un "e!ueo 'órtice, una "e!uea "arte del $lujo "areciera re#resar %ientras !ue el resto se reaco%oda * si#ue su ca%ino(
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Fi(ura )4*
n esta $i#ura a di$erencia de la $i#ura el $lujo no se esta%"a ni #enera 'órtice en las es!uinas "or lo !ue el recorrido es uni$or%e, si#ue casi "er$ecta%ente la $or%a del ducto * no "ierde 'elocidad, esto #racias a !ue no &a* area donde "ueda estancarse el $lujo(
Fi(ura ))*+
n la $i#ura 11 se "uede obser'ar !ue el alineador del $lujo &ace !ue el $lujo si#a "er$ecta%ente la $or%a del ducto aun!ue, reduce la 'elocidad del %is%o, no se #enera en absoluto 'órtices(
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)UESTI&NA%I& !* E+pli,ue el principio de -uncionamiento del .isuali/ador de Sc0lieren* l siste%a básico de 3c&lieren es un siste%a ó"tico ilu%inado con luz coli%ada de &aces "aralelos, con $uente tras el objeto a obser'ar( )as 'ariaciones en el +ndice de re$racción causadas "or el #radiente de densidad del $luido en obser'ación, distorsiona el &az de luz coli%ada( sta distorsión en los &aces de la luz, crea una 'ariación es"acial en la intensidad de la luz, !ue "uede ser 'isualizado directa%ente co%o un #rá$ico de so%bras(
1* E+pli,ue tres métodos de .isuali/aci$n de -lu2o di-erentes a los utili/ados en esta práctica* 4todos de rastreo de "art+culas: las "art+culas, co%o el &u%o, se "ueden aadir a un $lujo de rastrear el %o'i%iento del $luido( Pode%os ilu%inar las "art+culas con una lá%ina de luz láser con el $in de 'isualizar una rebanada de un "atrón de $lujo de $luido co%"licado( 3u"oniendo !ue las "art+culas si#uen $iel%ente las l+neas de corriente del $lujo, no "ode%os sólo 'isualizar el $lujo, sino ta%bin %edir su 'elocidad %ediante la i%a#en de 'eloci%etr+a de "art+culas o "art+culas %todos de se#ui%iento de 'eloci%etr+a( )os %todos ó"ticos: Al#unos $lujos re'elan sus "atrones a tra's de los ca%bios en el +ndice de re$racción ó"tica( stos son 'isualizados "or %todos ó"ticos conocidos co%o el #ra$o de so%bras, $oto#ra$+a 3c&lieren, * la inter$ero%etr+a( 4ás directa%ente, los colorantes se "ueden aadir a los $lujos "ara %edir las concentraciones, "or re#la #eneral el e%"leo de la atenuación de la luz o de las tcnicas de $luorescencia inducida "or láser( l 3iste%a de 'isualización de $lujo de Ar%$ield: %ediante burbujas de &idró#eno, &a sido diseado "ara 'isualizar $enó%enos $+sicos de di$+cil descri"ción teórica( )a tcnica de 'isualización de $lujo %ediante burbujas de &idró#eno es una tcnica reconocida, es"ecial%ente til "ara el laboratorio * "ara el aula(
3* De-ina línea de corriente4 senda y línea de tra/a* Bna l+nea de corriente es una l+nea continua trazada a tra's de un $luido si#uiendo la dirección del 'ector 'elocidad en cada "unto( As+, el 'ector 'elocidad es tan#ente a la l+nea de corriente en todos los "untos del $lujo( No &a* $lujo a tra's de una l+nea de corriente, sino a lo lar#o de ella e indica la dirección !ue lle'a el $luido en %o'i%iento en cada "unto( Bna senda es la tra*ectoria se#uida "or una "art+cula indi'idual "or un "er+odo de tie%"o( Bna l+nea de traza es el lu#ar #eo%trico de las "art+culas de $luido !ue &an "asado de %anera secuencial "or un "unto "rescrito en el $luido( )as l+neas de traza constitu*en al "atrón de $lujo %ás co%n #enerado en un e."eri%ento $+sico( 3i se inserta un tubo "e!ueo en un $lujo * se introduce una corriente continua de $lujo
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trazador Ctinte en un $lujo de a#ua o &u%o en $lujo de aireD, el "atrón !ue se obser'a es una l+nea de traza(
#* E+pli,ue por ,ué no es posi5le ,ue dos o más líneas de corriente se corten en un punto* Por!ue la 'elocidad es sie%"re tan#ente a la l+nea de corriente en cual!uier "unto( Por lo tanto las l+neas de corriente no se "ueden cruzar, sino en el "unto de cruce, la "art+cula de $luido "odr+a irse "or cual!uiera de las l+neas * el $lujo no ser+a estacionario( Bn conjunto de l+neas de corriente $or%a un tubo de corriente o de $lujo, las "art+culas de $lui do s e "ueden %o'er sólo a lo lar#o del tubo, *a !ue las l+neas de corriente no se cruzan(
6* E+pli,ue cuál es el o52eti.o de reali/ar una .isuali/aci$n de -lu2o y comente alguna aplicaci$n en particular* )a 'isualización de $lujos consiste en obtener una idea conce"tual del co%"orta%iento de un siste%a diná%ico a "artir de sus ecuaciones di$erenciales con el $in de obtener una in$or%ación cualitati'a o cuantitati'a sobre ellos( ."eri%entación #eneral aerodiná%ica "ara a"licaciones tanto en el ca%"o aeronáutico co%o en el no;aeronáutico( n el ca%"o aeronáutico se "ractica "ara estudiar la e$iciencia aerodiná%ica de un 'e&+culo( )os diseos aerodiná%icos reducen la resistencia al a'ance en los a'iones(
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)&N)'USI7N l estudio del $lujo de ciertos $luidos resulta ser %u* til "ara al#unas a"licaciones en donde se lle#ue a e%"lear, "or eje%"lo en casos de cilindros, esta su e$ecto en el cual se #eneran calles de 'on Eár%án los cuales son, #rá$ica%ente &ablando, "atrones de 'órtices en $or%a de re%olino !ue se 'an re"itiendo !ue son causados "or la se"aración del $luido con el área base del cuer"o( Para "oder tener idea de có%o se 'a a co%"ortar un $luido en la interacción de un cuer"o esencial%ente cuer"os es$ricos, se e%"lea el uso del n%ero de 9e*nolds el cual es un n%ero adi%ensional !ue sir'e "ara caracterizar el %o'i%iento de un $luido *a !ue ste relaciona 'elocidad, 'iscosidad, * densidad del $luido "ara "oder saber !u co%"orta%iento tendrá * !u tanto tenderá * a !u 'elocidades a #enerar %ás calles de 'órtices en un $luido( l $lujo de los $luidos "uede ser tanto la%inar co%o turbulento * de"endiendo de cuál sea, su co%"orta%iento será distinto en al#unos cuer"os, co%o es el caso en $lujos de aire cuando un a'ión 'a a cierta 'elocidad, ste deja a su "aso una serie de calles de 'órtices !ue si a un a'ión "ró.i%o a este lle#an a l esas corrientes de aire, causarán turbulencias * el $lujo no se co%"ortará de la %is%a %anera !ue si estu'iera estático ó la%inar( n un a'ión, lle#a a ocurrir lo !ue son c&o!ues de l+neas de $lujo !ue, "ro'ocadas "or la traslación del objeto se entrelazan * #eneran a su "aso 'órtices en las orillas del ala, lo interesante es !ue a %edida !ue "asan, su entrelaza%iento e%"ieza a ser de %a*or 'olu%en co%o si actuara de una $or%a cónica "ero al "aso de esto, ta%bin "ierden ener#+a co%o 'elocidad( -a* un e."eri%ento !ue es lla%ado el caón de 'órtices el cual dentro de un contenedor se #uarda aire o cierto $luido * cuando se usa cierta "resión el $luido ado"ta la $or%a del área base de salida del cuer"o * es i%"ulsado "or la %is%a "resión a cierta 'elocidad #enerando una $uerza de i%"acto !ue resulta ser del si%"le %o'i%iento de un $luido(
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