Experiencia De Reynolds 306jx

MECÁNICA DE FLUIDOS II EXPERIENCIA DE REYNOLDS

ÍNDICE

1.

INTRODUCCIÓN........................................................................................ 3

2.

OBJETIVOS................................................................................................ 3

3.

MARCO TEÓRICO...................................................................................... 4 CLASIFICACIÓN DEL FLUJO..........................................................................4

4.

MATERIALES............................................................................................. 7

5.

PROCEDIMIENTO...................................................................................... 9

6.

DATOS OBTENIDOS Y PROCESAMIENTO DE INFORMACIÓN....................10

7.

RESULTADOS.......................................................................................... 12

8.

CONCLUSIONES...................................................................................... 12

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MECÁNICA DE FLUIDOS II EXPERIENCIA DE REYNOLDS

EXPERIENCIA DE REYNOLDS

1. INTRODUCCIÓN El presente ensayo se realizó con el propósito de conocer el número de Reynolds de un determinado flujo a una temperatura determinada y a una velocidad determinada. El numero de Reynolds es quizá uno de los números a dimensionales más utilizados en la Mecánica de Fluidos. La importancia radica en que nos habla del régimen con que fluye un fluido, lo que es fundamental para el estudio del mismo. Cabe resaltar que es de vital importancia conocer la estructura interna del régimen de un fluido en movimiento ya que esto nos permite estudiarlo detalladamente definiéndolo en forma cuantitativa.

2. OBJETIVOS 

Observar el régimen laminar, de transición y turbulento en un flujo, así como el perfil de sus velocidades reproduciendo la experiencia de Osborne Reynolds



Verificar mediante los cálculos matemáticos si el régimen estudiado es laminar, de transición o turbulento.



Calcular el número de Reynolds para cada caso.

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3. MARCO TEÓRICO

CLASIFICACIÓN DEL FLUJO El movimiento de los fluidos puede clasificarse de muchas maneras, según diferentes criterios y según sus diferentes características, este puede ser:

Flujo Turbulento: Este tipo de flujo es el que más se presenta en la práctica de ingeniería. En este tipo de flujo las partículas del fluido se mueven en trayectorias erráticas, es decir, en trayectorias muy irregulares sin seguir un orden establecido, ocasionando la transferencia de cantidad de movimiento de una porción de fluido a otra, de modo similar a la transferencia de cantidad de movimiento molecular pero a una escala mayor. En este tipo de flujo, las partículas del fluido pueden tener tamaños que van desde muy pequeñas, del orden de unos cuantos millares de moléculas, hasta las muy grandes, del orden de millares de pies cúbicos en un gran remolino dentro de un río o en una ráfaga de viento.

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Cuando se compara un flujo turbulento con uno que no lo es, en igualdad de condiciones, se puede encontrar que en la turbulencia se desarrollan mayores esfuerzos cortantes en los fluidos, al igual que las pérdidas de energía mecánica, que a su vez varían con la primera potencia de la velocidad. En situaciones reales, tanto la viscosidad como la turbulencia contribuyen al esfuerzo cortante:

Flujo Laminar: Se caracteriza porque el movimiento de las partículas del fluido se produce siguiendo trayectorias bastante regulares, separadas y perfectamente definidas dando la impresión de que se tratara de laminas o capas más o menos paralelas entre si, las cuales se deslizan suavemente unas sobre otras, sin que exista mezcla macroscópica o intercambio transversal entre ellas. Esta ley establece la relación existente entre el esfuerzo cortante y la rapidez de deformación angular. La acción de la viscosidad puede amortiguar cualquier tendencia turbulenta que pueda ocurrir en el flujo laminar. En situaciones que involucren combinaciones de baja viscosidad, alta velocidad o grandes caudales, el flujo laminar no es estable, lo que hace que se transforme en flujo turbulento.

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El objetivo de esta práctica es de familiarizarnos con el denominado número de Reynolds, y la importancia que tiene a la hora de definir si un determinado fluido está en régimen laminar, turbulento, o en la transición entre ambos regímenes. Podremos observar que los resultados experimentales se ajustan notablemente a las predicciones del flujo laminar para valores bajos del número de Reynolds R, hasta aproximadamente 2300, y se ajustan a las predicciones del flujo turbulento para valores de R mayores que 4000 aproximadamente. Mientras que los valores intermedios de R cubren una amplia región en la que se produce la transición de flujo y ninguna de las dos teorías reproduce satisfactoriamente los resultados experimentales.

Flujo Transicional. También llamado flujo crítico, existe cuando el caudal se incrementa después de estar en flujo laminar hasta que las láminas comienzan a ondularse y romperse en forma brusca y difusa. Relacionándolo con el número de Reynolds: Si: 2300< R < 4000 entonces el flujo es transicional

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Esquematización :Régimen Transición

El número de Reynolds es el número adimensional:

Donde D es el diámetro del y η la viscosidad, y v su velocidad.

ℜ=

tubo, ρ la densidad del fluido,

Fuerzas inerciales ρ∗D∗V VD = = Fuerzas viscosas μ v

4. MATERIALES

 FME 00 – BANCO HIDRAULICO Sistema modular que ha sido desarrollado para investigar experimentalmente los muchos y diferentes aspectos de la teoría hidráulica. Una bomba centrífuga aspira el agua de un tanque sumidero y la eleva por un tubo vertical. En un adosado al exterior se halla dispuesta una válvula de control que se utiliza para regular el caudal que circula por el tubo, el cuál termina en una boquilla emplazada en el canal y provista de un conector de conexión rápida. Éste conector permite instalar rápidamente distintos rios, equipados con un conducto flexible terminado en conector hembra para su acoplamiento. También es posible efectuar 6

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acoplamientos especiales con la bomba desenroscando el conector. Para ninguna de estas operaciones se precisan herramientas. Una válvula de desagüe se encuentra situada en el tabique accesible del tanque sumidero para facilitar su vaciado.

vertical

 PROBETA GRADUADA Cilíndrica y graduada en ml., de capacidad de 1litro, usada para contener el fluido.

 CRONOMETRO Usado para determinar el tiempo en cada ensayo, volumen pequeño, medio y grande.

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 FME 06– EQUIPO PARA LA DEMOSTRACION DE OSBORNE-REYNOLDS El módulo consiste en un depósito cilíndrico dotado de una tobera acoplada a un tubo de metacrilato, que permite la visualización del fluido. Un rebosadero que garantiza la homogeneidad del caudal y una aguja acoplada a un depósito desde el que se suministra el colorante. El agua se suministra desde el Banco Hidráulico (FME00) ó el Grupo de Alimentación Hidráulica Básico (FME00/B). La visualización del régimen laminar o turbulento se puede realizar actuando sobre la válvula de control de flujo. ESPECIFICACIONES         

Diámetro interior del tubo: 10mm. Diámetro exterior del tubo: 13 mm. Longitud de la tubería de visualización: 700 mm. Capacidad del depósito de colorante: 0,3 litros. Capacidad del depósito: 10 litros. Válvula de control de flujo: tipo de membrana. La inyección de colorante se regula con una válvula de aguja. Sistema de conexión rápida incorporado. Estructura de aluminio anodizado y es en acero pintado.

DIMENSIONES Y PESO  Dimensiones: 1250 x 450 x 450 mm. aprox.  Peso: 20 Kg. aprox.

5. PROCEDIMIENTO 8

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Para realizar la procedimiento:

Experiencia

de

Osborne

–

Reynolds

se

sigue

el

1.- Llenar el depósito con colorante. 2.- Colocar el aparato sobre el canal del Banco Hidráulico y conectar su tubería de alimentación a la impulsión del Banco. 3.- Bajar el inyector, mediante el tronillo, hasta colocarlo justo sobre la Tobera de entrada al tubo de visualización de flujo. 4.- Cerrar la válvula de control de flujo. 5.- El tubo de salida del rebosadero deberá introducirse por el aliviadero del Banco. 6.- Poner en marcha a bomba y llenar lentamente el depósito hasta alcanzar el nivel del rebosadero, después cerrar la válvula de control del Banco Hidráulico y parar la bomba. 7.- Abrir y cerrar la válvula de control de flujo para purgar el tubo de visualización. 8.- Dejar que se remanse completamente el líquido en el aparato dejando pasar al menos diez minutos antes de proceder al experimento. 9.- Medir la temperatura del agua. 10.- Poner en marcha la bomba y abrir cuidadosamente la válvula de control del Banco hasta que el agua salga por el rebasadero. Abrir parcialmente la válvula de control y ajustar la válvula de inyección de colorante hasta conseguir una corriente lenta con colorante. Mientras el flujo de agua sea lento, el colorante traza una línea en el centro del tubo de visualización. Incrementando el flujo, abriendo progresivamente la válvula de control. Apreciándose alteraciones hasta que finalmente, el colorante se dispersa completamente en el agua. 11.- Para observar el perfil de la distribución de velocidades, el depósito estará necesariamente abierto permitiendo que le colorante caiga a gota en el tubo de visualización. Cuando la válvula de control está abierta, en régimen laminar la gota adopta un perfil de paraboloide.

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6. DATOS OBTENIDOS Y PROCESAMIENTO DE INFORMACIÓN

Tomamos los datos del ensayo realizado y a simple vista se distinguió un tipo de flujo, por la forma que adoptaron las líneas de corriente. La tabla que se muestra, nos da lo obtenido y lo visualizado.

VOLUMEN (ml) 173 173 133

TIEMPO 2' 1.85 2' 1.87 1' 32.34

VISUALIZADO

240 302 350

51.59 1' 4.82 1' 17.37

laminar

431 450 230

0' 47.75 0' 49.68 0' 24.82

laminar

310 420 330

0' 14.38 0' 19.59 0' 15.13

transicional

390 380 163

0' 12.81 0' 12.26 0' 5.31

transicional

398 302 362

0' 2.82 0' 2.13 0' 2.56

turbulento

367 277 275

0' 2 0' 1.5 0' 1.5

turbulento

laminar

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En la siguiente tabla, se muestran los caudales obtenidos y luego promediados. VOLUMEN (ml) 173 173 133

2' 1.85 2' 1.87 1' 32.34

Q(10^-6* m³/s) 1.4197 1.4195 1.4403

Q(10^-6* m³/s)

v (m/s)

1.4265

0.0182

240 302 350

51.59 1' 4.82 1' 17.37

4.6521 4.6591 4.5237

4.6116

0.0587

431 450 230

0' 47.75 0' 49.68 0' 24.82

9.0261 9.0579 9.2667

9.1169

0.1161

310 420 330

0' 14.38 0' 19.59 0' 15.13

21.5577 21.4395 21.8109

21.6027

0.2751

390 380 163

0' 12.81 0' 12.26 0' 5.31

30.4449 30.9951 30.6967

30.7122

0.3910

398 302 362

0' 2.82 0' 2.13 0' 2.56

141.1347 141.784 141.4062

141.4416

1.8009

367 277 275

0' 2 0' 1.5 0' 1.5

183.5000 184.6666 183.3333

183.8333

2.3406

TIEMPO

Luego resumimos lo hallado y hallamos el Número de Reynolds, a la vez, clasificamos el flujo. T=23°C N° 1 2

v (m²/s) Q(10^-6* m³/s) 1.4265 4.6116

v (m/s) 0.0182 0.0587

9.444E-07 R 192.3206 621.7401

TIPO DE FLUJO Laminar Laminar 11

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3 4 5 6 7

9.1169 21.6027 30.7122 141.4416 183.8333

0.1161 0.2751 0.3910 1.8009 2.3406

1229.1399 2912.4748 4140.6216 19069.1530 24784.3951

Laminar Transicional Turbulento Turbulento Turbulento

7. RESULTADOS

De las siete mediciones de caudal, hemos obtenido los siguientes resultados, no habiendo mucha diferencia entre lo estimado (visualizado) en cuanto al tipo de flujo y lo real según la teoría de Reynolds.

N° 1 2 3 4 5 6 7

VISUALIZAD O Laminar Laminar Laminar Transicional Transicional Turbulento Turbulento

R 192.3206 621.7401 1229.1399 2912.4748 4140.6216 19069.1530 24784.3951

TIPO DE FLUJO Laminar Laminar Laminar Transicional Turbulento Turbulento Turbulento

8. CONCLUSIONES

 La experiencia recogida, nos aclara el panorama en cuanto al movimiento de los fluidos, nos da ideas interesantes que servirán para continuar con el desarrollo de la asignatura y para la vida profesional.  Hemos podido comprobar, a través de la experiencia de Reynolds, lo que se dice en teoría respecto a líneas de corriente para cada tipo de flujo, su comportamiento y sus variaciones al aumentar o disminuir el caudal en un conducto a presión.  Se comprobó que es pequeño el margen para cambiar de flujo laminar a transicional, lo cual nos dice la teoría pero a la vez también 12

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podemos saber que es muy difícil identificar a simple vista un flujo transicional, siendo confundido con los flujos laminar y transicional.  Tal vez, algo externo, pero se logró apreciar la cavitación generada a la entrada de la tubería en la parte superior, la forma y el ruido causado. Esto nos da una idea de lo que se detalla en clase.

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