UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

ESCUELA DE INGENIERA MECNICA

LABORATORIO DE SISTEMAS DE TRANSPORTE Y

APROVECHAMIENTO DE FLUIDOS

PRACTICA N 5

IMPACTO DE CHORRO

1. INTRODUCCIN

Dentro del estudio del flujo de fluidos encontramos el impacto de un chorro sobre una superficie como una base para el desarrollo de la teora de la mecnica de fluidos y turbo-mquinas hidrulicas. Una forma de producir trabajo mecnico a partir de un fluido bajo presin es usar la presin para acelerar el fluido a altas velocidades de un chorro. El chorro es dirigido a las paletas de una turbina, la cual gira por la fuerza generada en las aspas debido al cambio de momento o impulso que toma lugar cuando el chorro pega en las paletas. En este experimento, la fuerza generada por un chorro de agua que impacta un plato plano, una superficie oblicua o una copa semiesfrica puede ser medida y comparada con el momento del flujo en el chorro.

Figura 1. Banco de Impacto de chorro.

Fuente: Laboratorio de STAF

2. TEMAS DE CONSULTA

Impulso y Cantidad de movimiento. Teorema de conservacin de la masa.

Fuerzas debido a fluidos en movimiento.

Teorema de Bernoulli

3. IMPLEMENTOS

Placas: Plana, Semiesfrica y Oblicua.

Pesas de 500 [g], 200 [g] y 100

[g]. Regla.

4. DESCRIPCIN DEL BANCO

El banco de impacto de chorro, Figura 2, tiene una distribucin en la cual el suministro de agua es dirigido hacia una tubera vertical terminada en una boquilla cnica. Esto produce un chorro de agua que choca en la placa en forma de un plato plano, de copa semiesfrica o placa con una inclinacin de 30o. La boquilla y la placa estn contenidas dentro de un cilindro de acrlico transparente, en la base del cilindro hay una salida por la cual el flujo es drenado hacia tanque.

Figura 2. Banco Impacto de Chorro

Fuente: Laboratorio de STAF

5. MARCO TERICO

Considere una placa simtrica alrededor del eje Y como muestra la Figura 3. Un flujo de chorro a una rata de [ ] a lo largo del eje Y con una velocidad [ ] golpea la placa y es desviado por esta un ngulo , de manera que el fluido deja la placa con una velocidad [ ] a un ngulo respecto al eje Y. Los cambios en la elevacin y en la presin piezomtrica del chorro desde que golpea la placa hasta su salida son despreciables para el caso.

Figura 3. Esquema de las tres placas. (a) Placa Plana (b) Placa Oblicua (c) Placa Semiesfrica

Si tomamos en cuenta el efecto del peso del chorro de agua antes de llegar a la placa tenemos un intercambio de energa cintica por energa potencial, aplicando la ecuacin de Bernoulli tenemos: (Ver Figura 4).

12

2+

1

+ 1 = 2

2

2+

2

+ 2 ()

Figura 4. Anlisis de energa

Lo que se convierte en:

12

2+ 1 =

22

2+ 2 ()

12 = 2

22 + 2 (2 1) ()

Consideremos un chorro de agua que impacta sobre una placa causando un cambio de direccin del chorro en un ngulo respecto al chorro incidente en direccin del eje Y, despreciando la friccin producida entre el chorro y la placa; tenemos que la magnitud de la velocidad por la superficie de la placa (2) es proporcional a la velocidad de entrada (1). Aplicando las ecuaciones de conservacin de la cantidad de movimiento en un volumen de control obtenemos:

= 2 2

1 1

()

= 22

2 12

1 ()

Debido a que la masa no se acumula dentro del volumen de control podemos concluir que:

1 = 2 = ()

1 = 2 2 = 1 1 ()

Para la aplicacin de la ecuacin () requerimos la magnitud del vector velocidad en la componente Y, segn la Figura 4.

2 = 1 cos () Aplicando las ecuaciones () y () en la ecuacin () obtenemos:

= 1 (1 cos ) ()

Se obtiene la ecuacin:

= 22 + 2 (2 1) (1 cos ) ()

Finalmente:

Este valor representa la fuerza terica de impacto aplicada sobre cada placa utilizando el respectivo ngulo . Para el clculo de la fuerza experimental utilizamos la siguiente expresin:

6. PROCEDIMIENTO

1. Comprobar que el nivel del agua en el tanque de almacenamiento este sobre la lnea naranja para que esta pueda ejercer la presin mnima de actuacin de la bomba y as evitar cavitacin en sta.

2. Cerrar totalmente las vlvulas. 3. Verificar el equipo a utilizar: pesas de 500 [g], 200 [g] (x2) y 100 [g]; adems de las 3 placas de

prueba para realizar el experimento. 4. Ubicar la placa plana dentro del cubo transparente. 5. Tomar la medicin en la regla de la parte superior. 6. Colocar el primer peso de 500 [g] en el lugar indicado. 7. Prender la bomba (pedir indicacin al auxiliar). 8. Abrir la vlvula que comunica a la parte del banco de impacto de chorro, lentamente hasta

que la regla marque la posicin medida inicialmente en el numeral 5. 9. Tomar la lectura que marque el medidor de flujo en simultneo con el tiempo. 10. Realizar el proceso con pesos de 300 y 400 [g]. 11. Realizar los pasos anteriores usando la boquilla oblicua y semiesfrica.

= (

)

2

+ 2 (2 1) (1 cos ) ()

= ()

7. ANLISIS E INTERPRETACIN DE DATOS

1. Realizar diagrama de cuerpo libre de cada una de las placas utilizadas en la medicin de fuerza de impacto y explicar cmo se mide dicha fuerza.

2. Qu placa necesita menos caudal para levantar el peso? Por qu? 3. Cmo influye la velocidad de salida para el aprovechamiento de la energa? 4. Graficar Fuerza de Impacto Vs. Caudal para dos de las placas. Qu relacin tiene el caudal

con la cantidad de movimiento para este tipo de anlisis? 5. Qu aplicaciones se pueden obtener de este principio?

8. BIBLIOGRAFA

[1] Mecnica De Fluidos Aplicada, Robert L. Mott. Prentice-Hall.

[2] Mecnica De Fluidos, Cengel Cimbala, McGraw-Hill.

[3] Mecnica de Fluidos. Potter, Merle C. y WIGGERT, David C. 2 ed. Mxico: Prentice Hall, 1998.