cuba de reynolds. labo 2

FACULTAD DE INGENIERIA CVIL MECANICA DE FLUIDOSESCUELA DE INGENIERIA CIVIL CUBA DE REUNOLDS

“Diferencia física entre un flujo laminar y un flujo turbulento”

Alumna: Vino Torres Yoselin Karina

Fecha : 08 de agosto del 2011

Curso : Mecánica de Fluidos

Código : 081.0304.361

Docente : Danilo Montoro

I. RESUMEN

El experimento se realizo para poder afianzar los conocimientos en el desarrollo del curso de Mecánica de Fluidos. En el siguiente informe también se realizo con el propósito de visualizar la apariencia de los tipos de flujo que existen como el laminar, transición y turbulento. Se determino el número de Reynolds para los diferentes tipos de caudales.El significado de el desarrollo de este laboratorio es importante ya que nos ayudo a reconocer los tipos de fluidos que se observan el la Cuba de Reynolds.


Cuando se abrió la llave a 45° y 90° se observaron el flujo laminar y turbulento respectivamente. Se determinó el numero de Reynolds para dos caudales que se tomaron cuando se abrió la llave de salida a 45° y a 90° respectivamente.

Q1=4.677597 ¿10−6m3

s y

Q2=3.508772¿10−5m3

s

Se clasifico el primer cauda es un flujo laminar ya que ℜ≤2000 mientras que con el segundo caudal se observó ℜ≥4000 lo q nos indica que el flujo fue turbulento

II. INTRODUCCIÓN

En el presente informe de laboratorio se realizo con el objetivo de describir la apariencia los tipos de flujo que existen, laminar, transición y turbulento en la Cuba de Reynolds y así identificar el tipo de régimen de fluido que pasa a través de una tubería la cual la podremos visualizar los distintos regímenes de flujo en una tubería. En el proceso de cálculos también se determinó el número de Reynolds para los diferentes tipos de caudales.


Es importante conocer la estructura interna del régimen de un fluido en movimiento ya que esto nos permite estudiarlo detalladamente definiéndolo en forma cuantitativa. Para conocer el tipo de flujo en forma cuantitativa se debe tener en cuenta el número de Reynolds.

Este análisis es importante en los casos donde el fluido debe ser transportado de un lugar a otro. Como para determinar las necesidades de bombeo en un sistema de abastecimiento de agua, deben calcularse las caídas de presión ocasionadas por el rozamiento en las tuberías, en un estudio semejante se lleva a cabo para determinar el flujo de salida de un reciente por un tubo o por una red de tuberías.

Según la viscosidad del fluido, un flujo se puede clasificar en laminar o turbulento.

En el flujo turbulento las partículas se mueven sin seguir un orden establecido, en trayectorias completamente erráticas.

El flujo turbulento se caracteriza porque el fluido continuamente se mezcla, de forma caótica, como consecuencia de la ruptura de un flujo ordenado de vórtices, que afectan zonas en dirección del movimiento. El flujo del agua en los ríos o el movimiento del aire cerca de la superficie de la tierra son ejemplos típicos de flujos turbulentos.

III. OBJETIVOS

1. OBETIVOS GENERALES

La realización de la práctica de laboratorio refleja el entendimiento cabal del proceso aprendido en el desarrollo del curso de Mecánica de Fluidos.

2. OBJETIVOS ESPECIFICOS


Describir la apariencia de los tipos de flujo que existen, laminar, transición y turbulento.

Identificar el tipo de régimen de fluido que pasa a través de una tubería.

Visualizar los distintos regímenes de flujo en una tubería.

Clasificar visualmente el tipo de flujo según la trayectoria que sigue la tintaproducto de la velocidad del fluido (agua).

Aprender a identificar visualmente el tipo de flujo (laminar, transición, turbulento) y comprobarlo mediante la determinación Reynolds.

Determinar el número de Reynolds para los diferentes tipos de caudales.

IV. MARCO TEORICO

NÚMERO Y EXPERIMENTO DE REYNOLDS


Un flujo láminar se define como aquel en que el fluido se mueve en capas o láminas, deslizándose suavemente unas sobre otras y existiendo sólo intercambio de molecular entre ellas. Cualquier tendencia hacia la inestabilidad o turbulencia se amortigua por la acción de las fuerzas cortantes viscosas que se oponen al movimiento relativo de capas de fluido adyacentes entre sí. Por otro lado, en un flujo turbulento, el movimiento de las partículas es muy errático y se tiene un intercambio transversal de cantidad de movimiento muy intenso.

El Número de Reynolds permite caracterizar la naturaleza del flujo, es decir, si se trata de un flujo laminar o de un flujo turbulento, además, indica la importancia relativa de la tendencia del flujo hacia un régimen turbulento respecto de uno laminar y la posición relativa de este estado dentro de una longitud determinada.

Reynolds estudió dos escurrimientos geométricamente idénticos, de esto pudo concluir que dichos flujos serian dinámicamente semejantes si las ecuaciones diferenciales que describían a cada uno estos eran idénticas.

Dos escurrimientos son dinámicamente semejantes cuando:


Ambos sistemas son geométricamente semejantes, es decir, cuando se tiene una relación constante entre dimensiones de longitudes correspondientes.

Las correspondientes familias de líneas de corriente son geométricamente semejantes o las presiones en puntos correspondientes forman una relación constante.

Al cambiar las unidades de mas, longitud y tiempo en un grupo de ecuaciones y al determinar las condiciones necesarias para hacerlas idénticas a las originales, Reynolds encontró que el parámetro adimensional ÞDv/u debía ser igual en ambos casos. En este parámetro v es la velocidad característica, D es el diámetro de la tubería, Þ es la densidad del fluido y ues su viscosidad. Este parámetro se conoce como numero de Reynolds (R).

Para encontrar el significado físico de tal parámetro adimensional, Reynolds llevo a cabo sus famosos experimentos a través de tubos de vidrio. Coloco un tubo de vidrio horizontalmente con una válvula en uno de sus extremos y un tanque de alimentación en otro. La entrada al tubo tenía una forma de campana y su superficie era bastante lisa. Reynolds dispuso, además, de un sistema para inyectar tinta en forma de corriente sumamente fina en cualquier punto de la entrada al tubo.

Para gastos pequeños, la corriente de tinta se presentaba como un delgado filamento a lo largo del tubo, indicando que se trataba de un régimen laminar. Al incrementar el gasto (aumentando, por consiguiente el número de Reynolds) se alcanzaba la condición en que el filamento de tinta presentaba características oscilantes hasta que súbitamente se rompía, difundiéndose la tinta a todo lo ancho del tubo. En estas condiciones, el flujo había cambiado a régimen turbulento, con su característico intercambio brusco de cantidad de movimiento; al llevar a cabo las pruebas cuidadosamente Reynolds obtuvo un valor R = 12000 antes de que se presentara la turbulencia. En investigaciones posteriores, equipo original de Reynolds, se lograron valores hasta de 40000, al permitir que el agua en el tanque estuviera en calma por varios días antes del experimento y al tomar precauciones a fin de evitar vibraciones en el agua y en el equipo.

Estos índices, conocidos como números críticos de Reynolds no tienen significado práctico alguno, ya que en tuberías ordinarias existen irregularidades que ocasionan el paso al régimen turbulento para valores mucho menores al del número de Reynolds.

Al proceder de manera inversa en el tubo de vidrio, Reynolds encontró que el flujo turbulento siempre pasaba a ser laminar, cuando al disminuir la velocidad se hacia que R valiera menos de 2000. Este índice es el número crítico inferior de Reynolds


para el flujo de tubos y sí tiene importancia práctica. Para tuberías convencionales, el flujo cambiará de laminar a turbulento cuando el número de Reynolds se encuentre en el rango de 2000 a 4000.

Una característica distintiva entre el flujo laminar y el turbulento es que las perdidas en el laminar son proporcionales a la velocidad promedio, mientras en el turbulento son proporcionales a una potencia de la velocidad que varia entre 1.7 y 2.0.

La naturaleza de determinado flujo incompresible se puede caracterizar mediante su número de Reynolds. Para valores grandes de R, uno o todos los factores en el numerador resultan grandes, comparados con el denominador. Esto implica una gran expansión en el conducto del fluido, una velocidad alta, una gran densidad, una viscosidad extremadamente pequeña o combinaciones de estos extremos. Los términos en el numerador se relacionan con las fuerzas de inercia, es decir, las fuerzas debidas a la aceleración o desaceleración del fluido. El termino en el denominador es la causa de las fuerzas cortantes viscosas. De esta manera, también se puede considerar el número de Reynolds como el cociente entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas.

Un número de Reynolds grande indica que el flujo es altamente turbulento con las pérdidas proporcionales al cuadrado de la velocidad. La turbulencia puede ser de escala pequeña caracterizada por remolinos muy pequeños, los cuales convierten rápidamente la energía mecánica en irreversibilidades a través de la acción viscosa; o puede ser de escala grande, como en el caso de lo remolinos mas o menos definidos que se forman en los ríos o en la zona de la atmósfera en inmediato contacto con la superficie terrestre. Los grandes remolinos generan remolinos mas pequeños, los cuales a su ves dan lugar a la turbulencia de escala pequeña. Se puede imaginar al flujo turbulento como un flujo regular, posiblemente uniforme, en el cual se tuviera sobreimpuesto un flujo secundario.

En la turbulencia de escala pequeña se tienen fluctuaciones de velocidad que se caracterizan por una frecuencia alta; la raíz media cuadrada de estas fluctuaciones y la frecuencia de cambio de su signo son medidas cuantitativas de la turbulencia. En general, la intensidad de la turbulencia aumenta conforme lo hace el número de Reynolds.

Para valores intermedios de R, tanto los efectos viscosos como los inerciales son de importancia y los cambios en la viscosidad afectan a la distribución de las velocidades y a la resistencia al flujo.

V. MATERIALES O EQUIPOS


VI. PROCEDIMIENTO DEL EXPERIMENTO

Se instalo el equipo y se procedió a abrir la válvula de la cuba de Reynolds.

Se espero a que llegue el agua al límite indicado.

Se echó el colorante a la tubería para poder visualizar el tipo de flujo que pasara por la tubería trasparente que se encuentra en la Cuba de Reynolds.

Colorantecronómetro


Flujo laminar

Flujo turbulento

Se abrió la llave de salida, girada unos 45°.

Se midió con el cronómetro para determinar los tiempos de intervalos de llenado igual.

Se procedió de la misma forma cuando la llave está abierta a unos 90°


VII. RESULTADOS Y DISCUSION

Llave abierta a 45°

tiempo volumen1-2 3’26.5” 1L2-3 3’41.07” 1Ltprom 3 ’33.785”=213.785 s 10−3m3

Calculo del caudal:

Q1=Vt prom

Q1=10−3m3

213.785 s

Q1=4.677597 ¿10−6m3

s

Calculo del Número de Reynolds

ℜ= 4QπDV

Donde:

Q1=4.677597 ¿10−6m3

sD=1.1∗10−2m

V=10−6m2

s

Reemplazando estos valores, obtenemos:

ℜ=541.427407 (Flujo laminar)


Llave abierta a 180°

tiempo volumen1-2 29” 1L2-3 28” 1L

tprom 28.5”=28.5 s 10−3m3

Calculo del caudal:

Q2=Vt prom

Q1=10−3m3

28.5 s

Q2=3.508772¿10−5m3

s

Cálculo del Número de Reynolds

ℜ= 4QπDV

Donde:

Q2=3.508772¿10−5m3

sD=1.1∗10−2m

V=10−6m2

s

Reemplazando estos valores, obtenemos:

ℜ=4061.370159 (Flujo Turbulento)

VIII.CUESTIONARIO

1. Defina los siguientes conceptos:

Flujo laminar, turbulento y transicional

FLUJO LAMINAR:


Se presenta si las fuerzas viscosas son muy fuertes con relación a las fuerzas inerciales. El movimiento de las partículas del fluido se realiza siguiendo trayectorias definidas o líneas de corriente y las capas de fluido con espesor infinitesimal parecen deslizarse sobre capas adyacentes.

Cuando el gradiente de velocidad es bajo, la fuerza de inercia es mayor que la de fricción, las partículas se desplazan pero no rotan, o lo hacen pero con muy poca energía, el resultado final es un movimiento en el cual las partículas siguen trayectorias definidas, y todas las partículas que pasan por un punto en el campo del flujo siguen la misma trayectoria.

IMAGEN. Observada en la tubería en el laboratorio de Mecánica de Fluidos_UNASAM

En el flujo laminar el gradiente de velocidades es diferente de cero.

El perfil de velocidad es una curva de forma suave y el fluido se mueve a lo largo de líneas de corriente de aspecto aislado. El flujo se denomina laminar porque aparece como una serie de capas delgadas de fluido (láminas) que se deslizan unas sobre otras. En el flujo laminar las partículas de fluido se mueven a lo largo de las líneas de corriente fijas y no se desplazan de una a otra. El concepto de fricción en el fluido es una analogía adecuada para el esfuerzo cortante más aún es realmente el resultado de una transferencia de momento molecular, de fuerzas intermoleculares o de ambas cosas.

FLUJO TURBULENTO:

Se conoce como flujo turbulento al movimiento desordenado de un fluido: Este se caracteriza por fluctuaciones al azar en la velocidad del fluido y por un mezclado intenso. El patrón desordenado de burbujas cercanas a la


parte inferior de la pared del canal es el resultado del mezclado del flujo turbulento en esa zona.

Se presenta si las fuerzas viscosas son débiles con relación a las fuerzas inerciales. Las partículas del fluido con régimen laminar se mueven ordenadamente siguiendo trayectorias definidas, pero al aumentar la velocidad las partículas del fluido chocan entre sí y se desvían siguiendo trayectorias irregulares que no son suaves ni fijas y que constituyen el flujo turbulento.

IMAGEN. Flujo observado en la cuba de Reynolds en el laboratorio de Mecánica de Fluidos_UNASAM

El flujo turbulento se caracteriza porque el fluido continuamente se mezcla, de forma caótica, como consecuencia de la ruptura de un flujo ordenado de vórtices, que afectan zonas en dirección del movimiento. El flujo del agua en los ríos o el movimiento del aire cerca de la superficie de la tierra son ejemplos típicos de flujos turbulentos.


El flujo "turbulento" se caracteriza porque:

Las partículas del fluido no se mueven siguiendo trayectorias definidas. La acción de la viscosidad es despreciable. Las partículas del fluido poseen energía de rotación apreciable, y se

mueven en forma errática chocando unas con otras. Al entrar las partículas de fluido a capas de diferente velocidad, su

momento lineal aumenta o disminuye, y el de las partículas vecina la hacen en forma contraria.

FLUJO TRANSICIONAL

El flujo laminar se transforma en turbulento en un proceso conocido como transición; a medida que asciende el flujo laminar se convierte en inestable por mecanismos que no se comprenden totalmente. Estas inestabilidades crecen y el flujo se hace turbulento.

La transición de flujo con régimen laminar a turbulento es gradual y se llama transicional.


Se presenta cuando el filamento del fluido comienza a hacerse inestable.

Numero de Reynolds critico, Reynolds critico y Reynolds critico interior

Número de Reynolds crítico superior y Reynolds crítico inferior: Se pueden calcular de acuerdo al flujo que aparezca en la Cuba de Reynolds, dependerá de si el flujo es turbulento o laminar. Estos números críticos nacen de las relaciones de viscosidad cinemática, densidad de masa, longitud y velocidad.

Desde un punto de vista matemático el número de Reynolds de un problema o situación concreta se define por medio de la siguiente fórmula:

o equivalentemente por:

donde:

ρ: densidad del fluidovs: velocidad característica del fluidoD: diámetro de la tubería a través de la cual circula el fluido o longitud característica del sistemaμ: viscosidad dinámica del fluidoν: viscosidad cinemática del fluido

2. Realice un esquema de comparación de número de Reynolds superior e inferior, defina valores característicos, estabilidad de obtención, variación, etc.

Para R " 2300 (máximo para flujo laminar en una tubería) la mayoría de las situaciones de ingeniería pueden considerarse como no perturbadas, aunque en el laboratorio no es posible obtener un flujo laminar a números de Reynolds más elevados. Para R " 4000 (mínimo para el flujo turbulento estable en una tubería) este tipo de flujo se da en la mayoría de aplicaciones de ingeniería.


3. Explique y realice esquemas de la experiencia poniendo especial énfasis a los conceptos del flujo laminar y turbulento, asi como el momento de determinar los números de Reynolds críticos superior e inferior.

Para determinar el número de Reynolds se mide la temperatura del fluido con un termómetro, luego se suelta la tinta, la cual pasará por una pequeña tubería, este flujo es regulado por una pequeña válvula y a la salida se coloca una probeta para medir el volumen en un determinado tiempo, con lo cual se obtiene el caudal para luego hallarla velocidad; posteriormente se ingresa toda la fórmula del número de Reynolds, la cual depende del diámetro de la tubería, la velocidad, y la viscosidad cinemática (L).

ℜ=(v . D)L

ℜ= 4QπDV

IX. CONCLUSIÓN

El desarrollo de esta práctica nos ayudó a poder comprender mucho mejor los conceptos adquiridos en el desarrollo del curso de Mecánica de Fluidos.

Los flujos que se observó en la Cuba de Reynolds fueron: el flujo laminar y flujo turbulento los cuales se vieron cuando abrimos la llave de salida a 45° y a 90° respectivamente.

Se aprendió a clasificar los tipos de flujos respecto a su apariencia como se observó en las fotos adjuntas en e anexo.

Se determinó el numero de Reynolds para dos caudales que se tomaron cuando se abrió la llave de salida a 45° y a 90° respectivamente.

Q1=4.677597 ¿10−6m3

s y

Q2=3.508772¿10−5m3

s

Se clasifico el primer cauda es un flujo laminar ya que ℜ≤2000 mientras que con el segundo caudal se observó ℜ≥4000 lo q nos indica que el flujo fue turbulento


El numero de Reynolds nos es muy útil al realzar cálculos en sistemas de tuberías de operaciones industriales para el estudio, diseño o predicción del comportamiento del flujo cuando las variables (V, D, ρ , μ , ν) cambian.

X. BIBLIOGRAFIA

1. http://www.buenastareas.com/ensayos/Laboratorio-De-Reynolds/302435.html

2. http://es.scribd.com/doc/54994541/GUIA-PRACTICA-DE-LABORATORIO-MECANICA-DE-FLUIDOS-I-INDICE-PAGINA-REGLAMENTO-DE-PRACTICAS-DE-LABORATORIO

3. http://www.buenastareas.com/ensayos/Cuba-De-Reynolds/2294827.html

http://www.buenastareas.com/ensayos/Cuba-De-Reynolds/2294827.html

http://es.scribd.com/doc/54994541/GUIA-PRACTICA-DE-LABORATORIO-MECANICA-DE-FLUIDOS-I-INDICE-PAGINA-REGLAMENTO-DE-PRACTICAS-DE-LABORATORIO



http://www.buenastareas.com/ensayos/Laboratorio-De-Reynolds/302435.html

http://www.buenastareas.com/ensayos/Laboratorio-De-Reynolds/302435.html

cuba de reynolds. labo 2

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