Laboratorio - Mecánica De Fluidos Informe N°1 5331x

UNIVERCIDAD NACIONAL “SANTIAGO ANTUNEZ DE MAYOLO” Facultad de Ingeniería Civil Escuela Profesional de Ingeniería Civil

Mesa analógica de Stokes Informe de Laboratorio Nº 1 Curso: Mecánica de Fluidos Ciclo Lectivo: 2013 – II

Autor:

Código: Grupo Nº 1

Docente: Ing.

Fecha Laboratorio

: 15 de marzo del 2014

Fecha de entrega

: 24 de marzo del 2014

Huaraz – Ancash – Perú Marzo del 2014

UNIVERSIDAD NACIONAL “SANTIAGO ANTÚNEZ DE MAYOLO” FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

CURSO: MECÁNICA DE FLUIDOS

INFORME DE LABORATORIO MESA ANALÓGICA DE STOKES Contenido: 1.

MEMORIA .......................................................................................................................................... 3 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5.

TÍTULO: ............................................................................................................................................... 3 INTRODUCCIÓN: ................................................................................................................................. 3 OBJETIVOS: ......................................................................................................................................... 3 FUNDAMENTO TEÓRICO: .................................................................................................................... 4 EQUIPOS Y MATERIALES: ................................................................................................................... 12

2.

PROCEDIMIENTO.............................................................................................................................. 14

3.

RESULTADOS .................................................................................................................................... 16

4.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................................................ 16 4.1.

CONCLUSIONES: ................................................................................................................................ 16

CUESTIONARIO: ............................................................................................................................... 17

6.

BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS: ......................................................................................................... 19

Página2

5.

LABORATORIO Nº 1: MESA ANALÓGICA DE STOKES

ALUMNO: 91.0229.2.AC



1. MEMORIA 1.1. TÍTULO: El título de la práctica de laboratorio es: “Mesa analógica de Stokes”.

1.2. INTRODUCCIÓN: Este ensayo permite visualizar mediante un colorante las líneas de corriente, además nos permite visualizar el comportamiento de dichas líneas alrededor de perfiles con formas geométricas definidas. Además en mecánica de fluidos, un flujo se clasifica en compresible e incompresible, dependiendo del nivel de variación de la densidad del fluido durante ese flujo.

La incompresibilidad es una aproximación y se dice que el flujo es incompresible si la densidad permanece aproximadamente constante a lo largo de todo el flujo. Por lo tanto, el volumen de todas las porciones del fluido permanece inalterado sobre el curso de su movimiento cuando el flujo o el fluido son incompresibles. En esencia, las densidades de los líquidos son constantes y así el flujo de ellos es típicamente incompresible.

Si sometemos a este fluido incomprensible a un obstáculo, podremos apreciar que su línea de corriente se desvía de manera regular o irregular de acuerdo a la forma del elemento puesto como obstáculo.

1.3. OBJETIVOS: Visualizar mediante un colorante las líneas de corriente con y sin presencia de algún obstáculo colocado en el tránsito del flujo de corriente.

Visualizar el comportamiento de las líneas de corriente alrededor de perfiles (con forma geométrica conocida.

Reconocer mediante la prueba de laboratorio en un flujo uniforme, introduciendo algunas

Página3

figuras geométricas que representan barreras que rompen el flujo





1.4. FUNDAMENTO TEÓRICO: El movimiento de los fluidos puede clasificarse de muchas maneras, según diferentes criterios y según sus diferentes características, este puede ser:

a. 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.

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.

La ecuación para el flujo turbulento se puede escribir de una forma análoga a la ley de Newton de la viscosidad:

 

u y

donde: h : viscosidad aparente, es factor que depende del movimiento del fluido y de su densidad. En situaciones reales, tanto la viscosidad como la turbulencia contribuyen al esfuerzo cortante:

u y

En donde se necesita recurrir a la experimentación para determinar este tipo de escurrimiento. LABORATORIO Nº 1: MESA ANALÓGICA DE STOKES


Página4

  (   )



Factores que hacen que un flujo se torne turbulento: 

La alta rugosidad superficial de la superficie de o con el flujo, sobre todo cerca del borde de ataque y a altas velocidades, irrumpe en la zona laminar de flujo y lo vuelve turbulento.



Alta turbulencia en el flujo de entrada. En particular para pruebas en túneles de viento, hace que los resultados nunca sean iguales entre dos túneles diferentes.



Gradientes de presión adversos como los que se generan en cuerpos gruesos, penetran por atrás el flujo y a medida que se desplazan hacia delante lo "arrancan".

 Calentamiento de la superficie por el fluido, asociado y derivado del concepto de entropía, si la superficie de o está muy caliente, transmitirá esa energía al fluido y si esta transferencia es lo suficientemente grande se pasará a flujo turbulento.

b. 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 láminas o capas más o menos paralelas entre si, las cuales se deslizan suavemente unas sobre otras, sin que exista mezcla macroscópica

Página5

o intercambio transversal entre ellas.





La ley de Newton de la viscosidad es la que rige el flujo laminar:

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

Página6

turbulento.





c. Flujo incompresible: Es aquel en los cuales los cambios de densidad de un punto a otro son despreciables, mientras se examinan puntos dentro del campo de flujo, es decir:

Lo anterior no exige que la densidad sea constante en todos los puntos. Si la densidad es constante, obviamente el flujo es incompresible, pero sería una condición más restrictiva.

d. Flujo compresible: Es aquel en los cuales los cambios de densidad de un punto a otro no son despreciables.

e. Flujo permanente: Llamado también flujo estacionario. Este tipo de flujo se caracteriza porque las condiciones de velocidad de escurrimiento en cualquier punto no cambian con el tiempo, o sea que permanecen constantes con el tiempo o bien, si las variaciones en ellas son tan pequeñas con respecto a los valores medios. Así mismo en cualquier punto de un flujo permanente, no existen cambios en la densidad, presión o temperatura con el tiempo, es decir:

Dado al movimiento errático de las partículas de un fluido, siempre existe pequeñas fluctuaciones en las propiedades de un fluido en un punto, cuando se tiene flujo turbulento. Para tener en cuenta estas fluctuaciones se debe generalizar la definición de flujo permanente según el parámetro de interés, así:

donde:


Página7

Nt: es el parámetro velocidad, densidad, temperatura, etc.




El flujo permanente es más simple de analizar que el no permanente, por la complejidad que le adiciona el tiempo como variable independiente.

f. Flujo no permanente: Llamado también flujo no estacionario. En este tipo de flujo en general las propiedades de un fluido y las características mecánicas del mismo serán diferentes de un punto a otro dentro de su campo, además si las características en un punto determinado varían de un instante a otro se dice que es un flujo no permanente, es decir:

donde:

N: parámetro a analizar. El flujo puede ser permanente o no, de acuerdo con el observador. g. Flujo uniforme: Este tipo de flujos son poco comunes y ocurren cuando el vector velocidad en todos los puntos del escurrimiento es idéntico tanto en magnitud como en dirección para un instante dado o expresado matemáticamente:

Donde el tiempo se mantiene constante y s es un desplazamiento en cualquier dirección. h. Flujo no uniforme: Es el caso contrario al flujo uniforme, este tipo de flujo se encuentra

Página8

cerca de fronteras sólidas por efecto de la viscosidad





i. Flujo unidimensional: Es un flujo en el que el vector de velocidad sólo depende de una variable espacial, es decir que se desprecian los cambios de velocidad transversales a la dirección principal del escurrimiento. Dichos flujos se dan en tuberías largas y rectas o entre placas paralelas.

j. Flujo bidimensional: Es un flujo en el que el vector velocidad sólo depende de dos variables espaciales. En este tipo de flujo se supone que todas las partículas fluyen sobre planos paralelos a lo largo de trayectorias que resultan idénticas si se comparan los planos entre si, no existiendo, por tanto, cambio alguno en dirección perpendicular a los planos.

k. Flujo tridimensional: El vector velocidad depende de tres coordenadas espaciales, es el caso más general en que las componentes de la velocidad en tres direcciones mutuamente perpendiculares son función de las coordenadas espaciales x, y, z, y del


Página9

tiempo t.




Este es uno de los flujos más complicados de manejar desde el punto de vista matemático y sólo se pueden expresar fácilmente aquellos escurrimientos con fronteras de geometría sencilla.

l. Flujo rotacional: Es aquel en el cual el campo rot v adquiere en algunos de sus puntos valores distintos de cero, para cualquier instante.

m. Flujo irrotacional: Al contrario que el flujo rotacional, este tipo de flujo se caracteriza porque dentro de un campo de flujo el vector rot v es igual a cero para cualquier punto e instante.

En el flujo irrotacional se exceptúa la presencia de singularidades vorticosas, las cuales son causadas por los efectos de viscosidad del fluido en movimiento.

n. Flujo ideal: Es aquel flujo incompresible y carente de fricción. La hipótesis de un flujo ideal es de gran utilidad al analizar problemas que tengan grandes gastos de fluido,

fricción resulta no viscoso y los procesos en que se tenga en cuenta su escurrimiento son reversibles.



Página10

como en el movimiento de un aeroplano o de un submarino. Un fluido que no presente



o. Ecuaciones de Navier-Stokes: Las ecuaciones de Navier-Stokes reciben su nombre de Claude-Louis Navier y George Gabriel Stokes. Se trata de un conjunto de ecuaciones en derivadas parciales no lineales que describen el movimiento de un fluido. Estas ecuaciones gobiernan la atmósfera terrestre, las corrientes oceánicas y el flujo alrededor de vehículos o proyectiles y, en general, cualquier fenómeno en el que se involucren fluidos newtonianos.

Estas ecuaciones se obtienen aplicando los principios de conservación de la mecánica y la termodinámica a un volumen fluido. Haciendo esto se obtiene la llamada formulación integral de las ecuaciones.

Para llegar a su formulación diferencial se manipulan aplicando ciertas consideraciones, principalmente aquella en la que los esfuerzos tangenciales guardan una relación lineal con el gradiente de velocidad (ley de viscosidad de Newton), obteniendo de esta manera la formulación diferencial que generalmente es más útil para la resolución de los problemas que se plantean en la

Página11

mecánica de fluidos.





1.5. EQUIPOS Y MATERIALES:  Mesa analógica de Stokes.

Página12

 Diferentes elementos geométricos que representan obstáculos para el flujo uniforme.





Página13

 Colorante y jeringa.





2. PROCEDIMIENTO  El equipo está concebido para generar flujos planos bidimensionales en régimen laminar de apenas 3 mm de espesor.  Se estudia la ubicación de todas las válvulas. Preparación de los equipos: nivelación de la mesa de analogías de Stokes.  Uso de la mesa de analogías de Stokes introduciendo diferentes figuras geométricas,

Página14

previamente después de generar un flujo uniforme del agua.





 Se introdujo el colorante para visualizar las líneas de corriente y observar cómo se generan

Página15

frente a un obstáculo dichas líneas (figuras geométricas).





 Se repite el procedimiento, para diferentes figuras.  Terminado el trabajo experimental, se cierra todas las válvulas, y se realiza una limpieza general de todo el equipo.

3. RESULTADOS Los regímenes de las líneas de corriente dependen de la velocidad de flujo y en este caso de la forma geométrica del obstáculo.

Las líneas de corriente fluyen mejor en obstáculos curvos que en rectos, los cuales generan flujos turbulentos.

También las geometrías que empiezan con vértices ovalados responden mejor a las líneas de corriente de flujos laminares.

Cuando se introdujo una figura geométrica de forma rectangular se observa que se

Página16

producen flujos turbulentos sobre sus lados.

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 4.1. CONCLUSIONES: LABORATORIO Nº 1: MESA ANALÓGICA DE STOKES




Se concluye que las líneas de corriente responden mejor a obstáculos con geometrías curvas que rectangulares, esto considerando que se coloca la cara plana perpendicular a las líneas de corriente.

La trayectoria de las líneas de corriente se observan en un plano bidimensional.

El comportamiento de las líneas de corriente depende netamente de las formas geométricas que se colocaron en el experimento para un régimen específico, esto quiere decir, cuando mantenemos la velocidad constante de flujo.

5. CUESTIONARIO: 1. Defina si las líneas de corriente son impermeables y como puede ser comprobada. Respuesta: Sí, las líneas de corriente son impermeables, y podemos comprobarlo porque en ninguna de las pruebas realizadas en el laboratorio las líneas de corriente se cruzan.

2. Es posible observar los flujos básicos en el equipo?. Elabore un cuadro de los flujos básicos y diga cuales son capaces de realizarse con el equipo. Respuesta: Si es posible. EQUIPO Mesa analógica de Stokes

FLUJOS BÁSICOS Flujo laminar y Flujo turbulento

3. Describa si es posible realizar los siguientes experimentos y detalle el proceso que se deberá seguir para lograrlo: a. Visualización y cuantificación del flujo permanente. Respuesta:

cualquier punto del escurrimiento del experimento no cambian con el tiempo, o sea que permanece constante, no existen cambios de la densidad, presión o temperatura.



Página17

Si es posible visualizar el flujo permanente debido a que las condiciones de velocidad en



b. Visualización y comportamiento de las líneas de corriente alrededor de perfiles o cuerpos impermeables. Respuesta: La visualización de las líneas de corriente se logró gracias al colorante que se introdujo en el experimento, estas líneas generaron trayectorias irregulares al chocar con los cuerpos, y este tipo de trayectoria dependió de la geometría de los cuerpos que estuvieron dentro del experimento.

c. Visualización de un doblete. Respuesta: El doblete nace de la superposición de un flujo fuente y un sumidero, ambos con intensidad de corriente infinita. Se genera un flujo sobre un cilindro circular que se va desvaneciendo, haciendo que

la intensidad de flujo aumente sin límite conforme “a”

(espaciamiento) disminuye a cero. En otras palabras, el producto “a “permanece constante, generando un doblete.

d. Determinación del número de Reynolds. Respuesta: Se podría determinar el número de Reynolds, usando un termómetro, verificando el caudal, teniendo el área y la longitud; sin embargo, es algo complicado, así que no fue calculado en la Mesa de Analogías de Stokes, siendo más fácil su cálculo en la Cuba de Reynolds.

4. Uno de los fenómenos que se produce en la mesa analógica de Stokes era la separación de las líneas de corriente del flujo uniforme de las paredes del cuerpo, exponga su acuerdo o desacuerdo acerca de las siguientes afirmaciones, citando conceptos y bibliografía revisada. a. Se debe a la influencia de las paredes del cuerpo. Respuesta: En desacuerdo. Se debe a la geometría del sólido que se coloca sobre la mesa para

Página18

realizar el experimento.

b. La zona descolorida toma el nombre de capa límite. Respuesta: LABORATORIO Nº 1: MESA ANALÓGICA DE STOKES




De acuerdo. La zona entre el objeto y la línea de corriente se llama capa límite. Las siguientes características de la capa límite son muy importantes:  La capa límite es delgada.  El espesor de la capa límite aumenta en dirección corriente abajo.  El perfil de la velocidad en la capa límite satisface la condición de no deslizamiento en la pared y emerge suavemente hasta la velocidad de la corriente libre en el borde de la capa.  Existe un esfuerzo cortante en la pared.  Las líneas de corriente del flujo en la capa límite son aproximadamente paralelas a la superficie.

c. Dentro de la zona descolorida el flujo es nulo. Respuesta: En desacuerdo. Esta afirmación es falsa porque el movimiento bidimensional del fluido se está dando en toda la superficie de la mesa de Stokes. Y haciendo el experimento se puedo apreciar que ese flujo posee una velocidad, por lo tanto, no es un flujo estacionario.

d. Para realizar el análisis del flujo dentro de la zona descolorida se debe considerar la viscosidad. Respuesta: De acuerdo. Para realizar el análisis del flujo dentro de la zona descolorida se debe de verificar el número de Reynolds pues si es alta la viscosidad del fluido se confinan en una región delgada cerca de las superficies sólidas.

6. BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS: 1. Ronald V. Giles (1994) Mecánica de fluidos e hidráulica, Madrid, McGRAW-HILL/Interamericana de España S.A.U. 2. Agustín Martín Domingo (2011) Apuntes de Mecánica de Fluidos, España, Creative Commons S.A. 3. Arturo Rocha (2000) Hidráulica de Tuberías y Canales, Lima, Universidad Nacional de Ingeniería

4. Dpto. de Hidráulica e Hidrología (2012) 2do Laboratorio – Visualización de Flujos, Lima, Universidad Nacional de Ingeniería – Facultad de Ingeniería Civil.



Página19

– Facultad de Ingeniería Civil.

Laboratorio - Mecánica De Fluidos Informe N°1 5331x

Overview 5o1f4z

More details 6z3438

Related Documents c2h70

Ejercicios Mecnica De Fluidos Unipap 62zt

Informe N1 Visita A Laboratorio De Ica 24q35

Informe 6 Reologia Laboratorio Fluidos 3cc28

Informe Laboratorio De Mecanica De Fluidos 6c596i

Laboratorio Mecanica De Fluidos 3h2h2m

1 Laboratorio De Fluidos 195i4t

More Documents from "Helmer" 2s3n3o

Informe Fluido No Newtoniano 565d4v

Manual Autocad Architecture 2008 2c646h

6g3p1u

Musicas Das Bodas De Prata 1pt3k

Palikur ugh

2 Final Libro-estadistica Inferencial 6s25i