UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA METROPOLITANA Departamento de Mecánica

EXPERIENCIA Nº : 1 TÍTULO : DETERMINACIÓN DE TIPOS DE

FLUJO SEGÚN REYNOLDS ASIGNATURA : MECÁNICA DE FLUIDOS

1 OBJETIVOS DE LA EXPERIENCIA

1.1 OBJETIVO GENERAL

Observar los diferentes regímenes de flujo de flujo de escurrimiento que experimenta

el fluido y sus períodos de transición.

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Determinar cualitativamente el tipo de flujo de un fluido y compararlo con los

respectivos valores teóricos.

Obtener una ecuación para calcular el Número de Reynolds en función del caudal.

Determinar la velocidad máxima para una serie de datos.

2 INTRODUCCIÓN TEÓRICA

El comportamiento de los fluidos es importante para los procesos de Ingeniería. La

primera diferenciación de los flujos, fue experimentada por el profesor Osborne

Reynolds, en 1883, el sistema consistió en un tanque lleno de agua, en el cual se

sumergió un tubo de vidrio. Mediante una válvula dispuesta en dicho tubo, se puede

hacer circular un flujo controlado de esta agua colorada, la que procede de una vasija

dispuesta en la parte superior del estanque.

El profesor Reynolds observó que a bajas velocidades no se producían mezclas

transversales en el flujo, por lo cual este chorro de agua colorada circulaba intacto a lo

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA METROPOLITANA Departamento de Mecánica

largo de todo el tubo. El comportamiento del chorro, era en líneas paralelas al tubo, por

lo que se dedujo el Flujo laminar .

Por otra parte, al aumentar la velocidad del flujo se alcanzaba un cierto punto crítico de

velocidad, para la cual la línea colorada se difundió a través de todo el tubo,

desapareciendo como tal, este comportamiento del fluido, indicó que el agua ahora

circula al azar, originando corrientes transversales y torbellinos, este movimiento del

fluido se conoce como Flujo Turbulento .

Reynolds estableció un criterio para determinar la aparición de uno u otro régimen:

• Valores superiores a los 4.000 el flujo es turbulento .

• Valores entre 4.000 y 2.000, el flujo se encuentra en un régimen de transición

(puede ser laminar o turbulento), dependiendo de las condiciones de entrada al

tubo y de la distancia media a partir de la entrada.

• Valores inferiores a 2.000 el flujo es laminar .

3 ECUACIONES

3.1 ECUACIÓN PARA EL NÚMERO DE REYNOLDS

�� �� · � · �

�

Donde,

Re: Número de Reynolds

D: Diámetro interior de la tubería (tubo), corresponde al diámetro donde fluye

el fluido [m].

V: Velocidad lineal media del flujo [m/seg].

ρ: Densidad del fluido, en el caso de líquidos se obtiene de tablas generalmente

a 15 ºC [kg/m].

µ: Viscosidad del fluido [kg/m seg].

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA METROPOLITANA Departamento de Mecánica

3.2 ECUACIÓN PARA OBTENER EL CAUDAL

El caudal se define como la velocidad media del fluido por el área de la sección

transversal de la tubería.

� � � ·

Donde, Q: Caudal [m/seg]

v: Velocidad media del fluido [m/seg]

A: Área de la sección transversal [m�]

El área de la sección transversal se determina como:

�� · ��

�

D: Diámetro interior de la tubería [m]

3.3 ECUACIÓN DE REYNOLDS EN FUNCIÓN DEL CAUDAL

Se obtiene relacionando las ecuaciones anteriores.

�� �� · � · �

� · � · �

3.4 ECUACIÓN PARA EL CÁLCULO DE VELOCIDAD

En el caso de flujos laminares, el patrón de velocidades tiene una forma parabólica,

con un máximo igual a dos veces la velocidad media.

���� � � � ����

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA METROPOLITANA Departamento de Mecánica

De la misma manera, la velocidad máxima local para un flujo turbulento se tiene:

���� � �, �� · ����

4 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

• Identificar las piezas que componen el equipo y reconocer las funciones de cada

una de ellas.

• Verificar que los estanques superior e inferior contengan un nivel óptimo de agua.

Si esto no es así, llenar los estanques.

• Verificar que la electricidad del panel central este conectado.

• Verificar que la válvula 1 esté abierta (estanque inferior) y la válvula 2 cerrada

(estanque superior).

• Una vez verificados los puntos anteriores, encender la bomba.

• Modificando el flujo del agua por medio de la válvula compuerta, efectuar 21

mediciones (observaciones cualitativas) las cuales deben comprender 7 mediciones

para flujo laminar, 7 mediciones para flujo en transición y 7 mediciones para flujo

turbulento.

• Al mismo tiempo que se regula el flujo de agua se debe abrir la válvula que

permite el paso del colorante, la cual actúa tiñendo el flujo, permitiendo su

visualización y posterior clasificación.

• Para cada una de las mediciones calcular el caudal (parte cuantitativa de cada

observación), para lo cual se dispone de un receptáculo graduado y un cronómetro.

• Finalmente se debe desconectar el equipo siguiendo el procedimiento que a

continuación se detalla:

1. Cortar el flujo del colorante.

2. Cortar el flujo de agua mediante la válvula compuerta.

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA METROPOLITANA Departamento de Mecánica

5 RECOMENDACIONES

• Mantener siempre abierta la válvula del estanque inferior cuando se esté utilizando

la bomba.

• Preocuparse que en el tubo no se produzcan burbujas de aire para obtener mejores

resultados.

• Al utilizar el colorante (solución de permanganato de potasio – KmnO4) tener la

precaución de vaciar agua con éste al estanque inferior, ya que su recirculación se

daña el filtro de la bomba y dificulta la visualización del tipo de flujo.

6 CONTENIDO DEL INFORME

El informe debe contener los siguientes cálculos:

• Determinar el Número de Reynolds.

• Determinar la velocidad media y máxima.

Además, debe contener la siguiente estructura:

1. Introducción

1.1. Objetivos

1.2. Esquemas de las instalaciones

1.3. Método experimental

2. Datos, resultados y gráficos

3. Discusión y conclusiones

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA METROPOLITANA Departamento de Mecánica

7 EVALUACIÓN

El informe que debe entregar el alumno será evaluado de acuerdo a la siguiente ponderación:

1. 1.5 puntos

2. 2.5 puntos

3. 2.0 puntos

4. 1.0 punto base

TOTAL: 7 PUNTOS

8 BIBLIOGRAFÍA

• Holman, J.P., “Experimental Methods for Engineers”; Mc Graw-Hill.

• Mataix, C., “Mecánica de fluidos y Máquinas Hidráulicas”, HARLA.

• Streeter, V., “Mecánica de los fluidos”, Mc Graw-Hill.