LTF GrupoA LabN2 NumeroReynolds
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7/23/2019 LTF GrupoA LabN2 NumeroReynolds
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Universidad de La Serena
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Mecánica
Laboratorio de Termofluidos
Número deReynolds
Integrantes:
-Alan Huenchumán López-Pablo Muñoz Barrientos
-Sergio Cifuentes Araya
-Christian Apablaza Araya
Profesor : Luis Adolfo Gatica González
Fecha : 10 de Diciembre 2015
Resumen
Los fluidos poseen cierta propiedad llamada viscosidad que a grandes rasgos lo podríamos
definir como la resistencia interna de un fluido a las deformaciones graduales producidas
por tensiones tangenciales. Un fluido cuando se mueve en torno a superficies sólidas se
desarrolla en él un perfil de velocidades que estará relacionada con las características del
sólido donde se desplaza, el movimiento de este fluido puede ser el de 3 tipos laminar,
transición y turbulento (siendo el laminar el más escaso en la vida real).Por eso este
laboratorio se desarrollará en clasificar los fluido en uno de estos 3 tipos a través del
aparato de Reynolds en el cual este con la ayuda permanganato de potasio y un tubo de
visualización del fluido, nos permitirá asimilar el tipo de fluido que tenemos presente y
mediante el caudal y volumen que sacaremos experimentalmente obtendremos el número
de Reynolds, esfuerzo de corte y factor fricción, donde con el dato del número de Reynolds
podremos comprobar si nuestros supuestos del tipo de fluido eran correctos.
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Mecánica de Fluidos I
2.1 Introducción
Esta experiencia tratara sobre el número de Reynolds que es aquel parámetro adimensional que
nos permite analizar la transición de un fluido desde un régimen laminar hasta un régimen
turbulento y que es la base para un serie de teorías referentes a los flujos viscosos.
En esta investigación se ocupará como elemento primordial el aparato de Reynolds, que nos
ayudará para determinar la pérdida de cargas o energía debido a efectos de fricción viscosa, y
dependiendo del número que nos presenta, podremos identificar si estamos frente a un fluidos
turbulento, transición o laminar. En este aparato nos permitirá a través de observación visual
poder identificarlo en uno de sus 3 tipos, y compararlo con teóricamente a través del caudal,
esfuerzo cortante, flujo laminar y número de Reynolds.
2.2 objetivos generales y específicos
Clasificar el régimen de flujo que circula por una tubería con la ayuda del aparato de Reynolds,
primero observando de manera visual seguido de su comprobación de forma teórica.
2.3 Alcances de la experiencia
Se ha estudiado el comportamiento de un fluido viscoso en régimen laminar (primera experiencia
de laboratorio: viscosidad). Sin embargo, no existe una teoría análoga que describa el
comportamiento de los fluidos en régimen turbulento, o que explique la transición de régimen
laminar a turbulento.
Esta experiencia está inmersa en un problema práctico importante de la ingeniería
de fluidos, como el flujo en conductos con distintas velocidades, distintos fluidos y distintas
geometrías. Nos enfocaremos en 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.
3 Hipótesis
3.1 Realizar supuestos
-Al aumentar el caudal del fluido abriendo cada vez más la llave inferior del aparato de Reynolds el
régimen de flujo será más turbulento
-El factor de fricción es mayor en un flujo turbulento que en uno laminar.
3.2 Definir variables
Caudal del fluido:
Es la cantidad de fluido que circula a través de una sección del ducto (tubería, cañería, oleoducto,
río, canal) por unidad de tiempo.
Aparato de reynolds:
Aparato que permite reproducir el experimento mediante el cual Osborne Reynolds pudo
observar la existencia del flujo laminar y el flujo turbulento para un mismo fluido que es
transportado bajo diferentes condiciones.
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Mecánica de Fluidos I
Régimen de flujo:
Se entiende como régimen de flujo, la forma como se comporta el movimiento de un fluido a lo
largo de un conducto.
Régimen de flujo turbulento:
El movimiento de las partículas líquidas se realiza siguiendo trayectorias muy irregulares o
desordenadas
Factor de fricción:
El factor de fricción o coeficiente de resistencia de Darcy-Weisbach (f) es un parámetro
adimensional que se utiliza para calcular la pérdida de carga en una tubería debida a la fricción.
4. Marco teórico
4.1 Revisión bibliográfica
Los distintos tipos o regímenes de flujo asociados a la asignación de valores numéricos de cada
uno fueron ideados por primera vez por Osborne Reynolds en 1883.
Reynolds observó que el tipo de flujo adquirido por el líquido que fluye dentro de una tubería
depende de la velocidad del líquido, el diámetro de la tubería y de algunas propiedades físicas del
fluido. De esa manera se creó el numero de Reynolds, número adimensional que asocia las
propiedades físicas del fluido, su velocidad y la geometría del ducto por el que fluye y esta dado
por la siguiente relación:
Cuando el ducto es una tubería, D es el diámetro interno de la tubería. Cuando no se trata de un
ducto circular, se emplea el diámetro equivalente (De) definido como:
Este grupo adimensional es uno de los par´ametros m´as utilizados en los diversos campos de laIngenieríıa Química en los que se presentan fluidos en movimiento.
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Mecánica de Fluidos I
4.2 Extracción y recopilación de la información de interés
Velocidad media ( ): promedio de la velocidad de las partículas a través de una sección demV
área.
A= Área que ocupa el flujom V = A
∙dA∫ A V
= A
Q
Q= Caudal
Esfuerzo de corte ( ): El esfuerzo de corte producido sobre el fluido, se puede expresar de laτ
siguiente manera:
τ =8
f ρ V m* * 2
Factor de fricción ( : valor adimensional que se utiliza para calcular la pérdida de carga en) f
tuberías.
flujo laminar f =ℜe64
flujo turbulento f =ℜe
0.25
0.3164
4.3 Marco Teórico
Número de Reynolds : l número de Reynolds ( ) es un número adimensional utilizado en
mecánica de fluidos
, diseño de reactores
y fenómenos de transporte
para caracterizar el
movimiento de un fluido , donde se analiza y estudia la transición de un fluido desde un régimen
laminar a un régimen turbulento, definiéndose como la relación entre las fuerzas de inercia y las
fuerzas viscosas
uerzas
viscosas
uerzas
de
inercia
μ
ρ
Vm c
v
Vm c
con:
: densidad del fluido
Vm: velocidad media o característica del fluido
Lc: diámetro de la tubería a través de la cual circula el fluido o longitud característica delsistema
: viscosidad dinámica del fluido
: viscosidad cinemática del fluido (m²/s)
El valor del número de reynolds permite conocer en cuál régimen de flujo se encuentra el fluido:
e 000 lujo laminar ℜ < 2 ⇒ F
000 e 000 lujo de transición 2 < ℜ < 4 ⇒ F
e 000 F lujo turbulentoℜ > 4 ⇒
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Regímenes de flujo:
Pueden existir tres regímenes de flujo posibles:
-Laminar: se caracteriza por la casi nula interacción de las capas del fluido entre ellas, de allí su
nombre, pues el líquido se comporta como si estuviera conformado por láminas o capas.
- Turbulento : en este caso el fluido posee movimiento tridimensional de sus partículas, por lo que
estas se mezclan debido a que las velocidades de las partículas son distintas.
- De transición : la línea del fluido dentro del tubo pierde estabilidad formando pequeñas
ondulaciones variables en el tiempo, manteniéndose sin embargo delgada.
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5. Descripción del experimento
5.1. Pasos del experimento
Se constató que las conexiones de drenaje del equipo estuvieran bien ajustadas, para luego llenar
el depósito de tinta hasta que el inyector quedara arriba de la boquilla de entrada. Abriendo la
llave de paso se llenó el estanque de amortiguación manteniendo un nivel constante para así
asegurar un desborde por el drenaje superior, después de dos a tres minutos se procedió a medir
la temperatura.
Se abre el drenaje inferior en forma controlada y se registra visualmente el régimen de flujo
presente, se mide el caudal de salida controlando el tiempo de llenado del recipiente graduado. Se
repitió este proceso nueve veces (tres para cada régimen de flujo), modificando el caudal del agua
para cada medición.
5.2 instrumentos utilizados
1- Aparato de prueba de Reynolds
2- Tinta (Permanganato de potasio)
3- Recipiente graduado
4- Termómetro
5- Cronómetro
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6 Recolección Cálculos de Datos
6.1 Datos medidos
Los datos medidos se encuentran tabulados en la siguiente tabla.
Nº Régimen observado Volumen(ml) Tiempo(s)
1 Laminar 10 2,56
2 Laminar 40 3,24
3 Laminar 20 5,46
4 Transición 100 4,59
5 Transición 100 4,00
6 Transición 200 7,54
7 Turbulento 200 2,70
8 Turbulento 400 3,68
9 Turbulento 400 5,58
6.2 Datos calculados
Con los datos medidos se calcula el flujo másico, la velocidad media y el caudal. Agregando datos
como el diámetro del tubo se puede calcular el número de reynolds, el coeficiente de fricción y el
esfuerzo de corte. Los resultados obtenidos se encuentran tabulados en las siguientes tabla.
Variables
V :
Volumen
Re : Número de
Reynolds
D : Diámetro
equivalente
A : área de la
sección μ : Viscosidad dinámica
t : Tiempo f : Factor de fricción Vm : velocidad media
φ : Diámetro
sección
ν : viscosidad
cinemática
Q : Caudal τ : Esfuerzo de corte ρ : Densidad T : Temperatura Rh: Radio Hidráulico
Para el aparato borne de Reynolds utilizado se tienen los siguientes parámetros:
T = 21 (°C)
ρ(kg/m^3) μ(kg/m*s) ν (m^2/s)
998,08 0,000979 9,80883E-07
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datos aportados por la tabla, la presión atmosférica de 1 atm.
Tubería Circular
(m)φ (m ) A 2 D(m)
0,013 0,00013273 0,013
Los resultados obtenidos se encuentran tabulados en la siguiente tabla:
Flujo
Observado V(m^3) t(s)
Q(m^3/s)
Vm(m/s) Re
Tipo de
Flujo f τ(N/m^2)
Laminar
1,00E-0
5 2,56
3,91E-06 2,94E-02 390,040282
Laminar
0,1640856
2
0,017730165
Laminar2,00E-0
5 5,463,66E-06 2,76E-02
365,75206 Laminar0,1749819
30,016626089
Laminar
4,00E-0
5 3,24
1,23E-05 9,30E-02 1232,71991
Laminar
0,0519177
1
0,056036077
Transición
1,00E-0
4 4,59
2,18E-05 1,64E-01 2175,38807
Transición - -
Transición
1,00E-0
4 4
2,50E-05 1,88E-01 2496,25781
Transición - -
Transición
2,00E-0
4 7,54
2,65E-05 2,00E-01
2648,5494 Transición - -
Turbulento
2,00E-0
4 2,7
7,41E-05 5,58E-01 7396,31943
Turbulento
0,0341179
2
1,325675461
Turbulento
4,00E-0
4 3,68
1,09E-04 8,19E-01 10853,2948
Turbulento
0,0309988
9
2,593537992
Turbulento
4,00E-0
4 5,58
7,17E-05 5,40E-01 7157,72848
Turbulento
0,0343987
5
1,251746682
De la tabla anterior se obtienen los siguientes gráficos:
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7. Análisis de datos
Se observa que en el gráfico RE v/s Vm el comportamiento de la curva es lineal y creciente,
resultado esperado ya que en la expresión utilizada para obtener el número de Reynolds, la
componente Vm es directamente proporcional a dicho número.
Del gráfico Re v/s f se observa que a medida que mientras menor sea el número de Reynolds el
factor de fricción es mayor, ya que en la fórmula utilizada son inversamente proporcionales.
Según la comparación de datos obtenidos del número de Reynolds respecto al esfuerzo de corte,
en su gráfica se observa un comportamiento similar a una función curva en crecimiento, donde
mientras mayor es el número de Reynolds también aumenta el esfuerzo de corte. Esto se debe a
las fórmulas utilizadas, en el esfuerzo de corte y el número de Re ambos dependen de la
velocidad media con la salvedad de que Vm en el esfuerzo de corte está elevado a la segunda
potencia.
Conclusión
Se logró comprobar satisfactoriamente que los valores del número de Reynolds calculados
corresponden al régimen de flujo que se observó en la experiencia por lo tanto se cumple el
objetivo.
Al aumentar la velocidad de flujo aumenta el número de Reynolds, por lo tanto el fluido tiende a
tener un régimen turbulento Respecto a las hipótesis se verifica que Al aumentar el caudal del
fluido abriendo cada vez más la llave inferior del aparato de Reynolds el régimen de flujo será más
turbulento debido a que aumenta la velocidad media del fluido.
El coeficiente de fricción disminuye mientras aumenta el número de Reynolds. Esto implica que en
el régimen turbulento la pérdida de carga en una tubería debida a la fricción es menor. Por lo
tanto queda falseado el supuesto entregado en la hipótesis en donde se decía que el factor de
fricción es mayor en un flujo turbulento que en uno laminar
El esfuerzo de corte aumenta mientras aumenta el número de de Reynolds, lo que significa que el
esfuerzo interno de las tensiones paralelas a la sección transversal es mayor en el régimen
turbulento
Bibliografía
- http://tarwi.lamolina.edu.pe/~dsa/Reynold.htm
- https://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_de_Reynolds
-Mecánica de Fluidos - Merle Potter y David Wiggert - Tercera Edición