Practica de laboratorio reynols

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MEDICION DE CAUDAL EN CONDUCTOS CERRADOS

MECNICA DE FLUIDOS IIING. CORONADO ZULOETA OMAR2012CALLE CORDOVA JOSE LUISUSS28/09/2012

VISUALIZACIN DE FLUJOS LAMINAR YTURBULENTOPractica de Laboratorio

INTRODUCCIN

El objetivo de esta prctica es observar las caractersticas de los regmenes de flujo laminar y turbulento en un conducto, as como la transicin entre ambos, reproduciendo el experimento original de Osborne Reynolds, y estudiando el efecto de los parmetros de dependencia.

VISUALIZACIN DE FLUJOS LAMINAR YTURBULENTO

Experimento de Osborne Reynolds.

Osborne Reynolds, cuyo retrato aparece en la Figura 1, naci en Belfast (Gran Bretaa) en 1842. En su etapa ms temprana, su educacin estuvo a cargo de su padre, quien adems de ser un excelente matemtico, estaba interesado en la Mecnica. Osborne Reynolds demostr pronto sus aptitudes para la Mecnica y a la edad de 19 aos comenz a trabajar con Edward Hayes, un conocido inventor e ingeniero mecnico. Al cabo de un ao decidi ingresar en Cambridge, donde se gradu con honores en 1867 y fue inmediatamente elegido miembro del Queens College. En 1868 consigui ser admitido en lo que posteriormente se convertira en la Universidad Victoria de Manchester, donde permaneci como profesor hasta 1905. Falleci en 1912 a la edad de 69 aos.La investigacin cientfica de Osborne Reynolds cubri un amplio abanico de fenmenos fsicos y de ingeniera, y estableci los fundamentos de muchos trabajos posteriores sobre flujos turbulentos, modelizacin hidrulica, transferencia de calor y friccin. Sus estudios sobre el origen de la turbulencia constituyen un clsico en la Mecnica de Fluidos, como se deduce a partir del uso general hoy en da de trminos tales como nmero de Reynolds, tensiones de Reynolds y ecuaciones de Reynolds.

Figura 1. Retrato de Osborne Reynolds en 1904.

Figura 2. Fotografa del Tanque de Reynolds.

Entre sus mayores logros figuran sus ensayos de visualizacin de los flujos laminar y turbulento en conductos, y su anlisis sobre los parmetros de dependencia de la transicin a rgimen turbulento, los cuales fueron publicados por vez primera en 1883, en una revista cientfica. La fotografa de la Figura 2 y el esquema de la Figura 3 muestran el tanque en que Reynolds llev a cabo sus ensayos, el cual se conserva en la actualidad en la Universidad de Manchester, an en estado operativo.

Figura 3. Esquema del Tanque de Reynolds.

Para visualizar las caractersticas de los flujos laminar y turbulento, Reynolds emple un colorante inyectado en una corriente de agua.

Segn muestra la instalacin de la Figura 3, del interior del tanque de Reynolds (que est elevado respecto al suelo), parte un conducto transparente horizontal que, ya fuera del tanque, va conectado a una tubera descendente de desage. Debido al desnivel entre la superficie libre del tanque y el desage, por esta conduccin circula agua. Al final de la tubera hay una vlvula de regulacin para controlar el caudal de agua desalojado (es decir, la velocidad de la corriente).En ese dispositivo, el agua se introduce en el conducto horizontal a travs de una boquilla o embudo, con el objeto de facilitar una circulacin del agua muy regular. En la zona de la boquilla se encuentra el inyector de colorante, alimentado desde un pequeo depsito exterior a travs de una manguera.

Figura 4. Fotografas de los diferentes regmenes de flujo observados en el Tanque de ReynoldsPara el tipo de movimiento correspondiente a flujo por un conducto de seccin circular, se puede obtener una solucin analtica suponiendo flujo estacionario, simetra axial e imponiendo equilibrio entre las fuerzas de presin y las fuerzas viscosas. La solucin as obtenida, que refleja una distribucin de velocidad de tipo parablico respecto a la posicin radial, es la conocida ecuacin de Hagen-Poiseuille. En este movimiento, que es estacionario, las lneas de corriente coinciden con las trayectorias de las partculas de fluido, as como con las lneas de traza de las partculas de colorante en el ensayo de Reynolds, y no son sino rectas paralelas al eje del conducto.

Sin embargo, Reynolds observ que dicho movimiento, estable y regular, slo existe si la velocidad del flujo es suficientemente pequea o bien si el dimetro del tubo es suficientemente pequeo para un caudal dado. Bajo estas circunstancias, el colorante forma una lnea de corriente bien definida cuyo contorno muestra que slo existe una pequea difusin en la direccin radial, debida al transporte molecular. Adems, cualquier perturbacin que aparezca en el flujo es amortiguada rpidamente. Este movimiento es el denominado laminar.Por el contrario, si la velocidad es lo suficientemente grande, el movimiento del fluido se hace muy sensible a cualquier perturbacin, las cuales se amplifican rpidamente. El flujo se hace entonces irregular y pierde su carcter estacionario. El grosor del colorante crece rpidamente, el contorno se difumina y toma una forma irregular hasta que aguas abajo se convierte en una nube. Este movimiento es el denominado turbulento. En la Figura 4 se muestran los diferentes regmenes de flujos observados en el Tanque de Reynolds.Reynolds descubri que la existencia de uno u otro tipo de flujo depende del valor que toma una agrupacin adimensional de variables relevantes del flujo, parmetro al que se denomina en su honor como nmero de Reynolds. Siendo v la velocidad media del flujo (caudal/rea transversal del conducto), D el dimetro y v la viscosidad cinemtica del fluido, se define el nmero de Reynolds, designado como Re, como:MECANICA DE FLUIDOS IIPgina 0

En todos los flujos existe un valor de este parmetro para el cual se produce la transicin de flujo laminar a flujo turbulento, habitualmente denominado nmero de Reynolds crtico. Generalmente para flujo en tubos se establecen los siguientes valores crticos del nmero de Reynolds:

Re= Numero de ReynoldsV=Velocidad del FlujoD=Dimetro del Conducto del Agua = Viscosidad Cinemtica tabla A1

Si Re < 2000, el flujo es laminar. Entre 2000 < Re < 4000 existe una zona de transicin de flujo laminar a turbulento. Si Re > 4000 el flujo es turbulento.

Caractersticas generales de los flujos laminares y turbulentos

Cuando entre dos partculas en movimiento existe gradiente de velocidad, es decir, cuando una se mueve ms rpido que la otra, se desarrollan fuerzas tangenciales que se oponen al desplazamiento relativo entre ambas partculas, es decir, se oponen a la deformacin del medio: estas fuerzas son las fuerzas viscosas, que son proporcionales al gradiente de velocidad y a la viscosidad dinmica del fluido (Ley de Newton). Un efecto de la existencia de gradientes de velocidad es que, alrededor de cada partcula, se produce una rotacin relativa de las partculas del entorno, movimiento al que tambin se oponen las fuerzas viscosas.

Dependiendo del valor relativo de las fuerzas viscosas respecto a la cantidad de movimiento del fluido (es decir, respecto a las fuerzas de inercia) se pueden producir diferentes estados de flujo:

Cuando el gradiente de velocidad es acusado, pero las velocidades bajas en valor promedio (por ejemplo en las zonas de capa lmite adyacentes a un contorno rgido o en el flujo por una tubera a baja velocidad), las fuerzas viscosas predominan sobre las de inercia. En este caso el movimiento est controlado por las fuerzas viscosasde cohesin de unas partculas con otras, que impiden que pueda haber cambios bruscos de posicin relativa. Cualquier perturbacin impuesta sobre el flujo principal es rpidamente atenuada por las fuerzas viscosas, y el resultado final es un movimiento enel que las partculas siguen trayectorias definidas: todas las partculas que pasan por un determinado punto en el campo de flujo siguen la misma trayectoria. Este es pues el tipo de flujo denominado laminar (pues las partculas se desplazan en forma de capas o lminas).

Cuando se tiene un gradiente de velocidad pero con zonas de alta velocidad,las fuerzas viscosas pierden valor relativo respecto a las fuerzas de inercia. En estas condiciones una perturbacin que altere puntualmente el equilibrio entre la rotacin relativa alrededor de cada partcula y la deformacin propiamente dicha ya no logra ser atenuada por las fuerzas viscosas, sino que crece y da origen a un remolino arrastrado por la corriente. A su vez la presencia de un remolino supone nuevos gradientes de velocidad, por lo que a partir de ese remolino se pueden originar otros remolinos de tamao ms pequeo. El proceso de generacin de nuevos remolinos de menor escala finaliza al alcanzar tamaos en los que los gradientes de velocidad asociados (que crecen al disminuir la escala de los remolinos) se corresponden con fuerzas viscosas dominantes sobre las de inercia; estas escalas de tamao mnimo reciben el nombre de escalas de Kolmogorov, tras los trabajos del cientfico ruso Andrei Nikolaevich Kolmogorov (Figura 5) publicados en 1941. As pues el flujo pasa a estar compuesto por un movimiento en la direccin principal ms una sucesin de remolinos de distintas escalas superpuestos entre s, de modo que cada partcula ya no realiza una trayectoria rectilnea, sino que su rumbo se ve continuamente alterado por la sucesin de remolinos. Este es el tipo de flujo denominado turbulento.

Figura 5. Andrei Nikolaevich Kolmogorov (1903-1987)En la Figura 6 se muestran visualizaciones de chorros turbulentos. Al contrario que la viscosidad o la densidad, la turbulencia no es una propiedad del fluido, sino del flujo. Como caractersticas ms destacables de los movimientos turbulentos se tienen:

Irregularidad: se manifiesta en la aparicin de fluctuaciones en las distintas variables fluido dinmicas (velocidad, presin, temperatura) de amplitud y tiempos muy dispares (diferentes escalas de los remolinos). Por tanto un flujo turbulento es intrnsecamente no estacionario, aunque el valor promedio de las variables en cada posicin (o el caudal por una tubera) no cambien a lo largo del tiempo. A pesar deser un fenmeno determinista, las fluctuaciones de la turbulencia parecen caticas y arbitrarias, lo que justifica el uso de mtodos estadsticos para su estudio.

Tridimensionalidad: pueden existir flujos turbulentos que al ser promediados en el tiempo, resulten ser bidimensionales (planos), incluso pueden existir movimientos turbulentosenlosquelasescalasmsgrandesdelaturbulenciasean fundamentalmente bidimensionales. Sin embargo, a medida que se desciende en el tamao de las escalas dentro del amplio espectro que caracteriza a la turbulencia, se encuentra que el movimiento asociado a estas escalas pequeas es siempre tridimensional.

Difusividad: los fenmenos de transporte de masa, cantidad de movimiento y energa, se ven notablemente amplificados por el efecto de la turbulencia. En realidad la turbulencia conlleva una mezcla continua de las partculas del flujo, con lo que lo que los mecanismos de transporte por difusin se ven reforzados por el transporte convectivo por turbulencia.

Figura 6. Detalles de dos chorros turbulentos.

Disipacin: los flujos turbulentos son siempre disipativos. Una vez que se ha desarrollado el flujo turbulento, la turbulencia tiende a mantenerse, pero para ello se necesita un aporte continuo de energa. Esta energa es extrada desde el flujo principal hacia los remolinos de mayor tamao y a continuacin se va transfiriendo sucesivamente hacia los remolinos de escalas ms pequeas. Finalmente, en las escalas de Kolmogorov, la energa asociada a las fluctuaciones turbulentas se transforma en energa interna (es decir, en calor), debido al trabajo de las fuerzas viscosas. La distribucin de energa entre las distintas escalas de la turbulencia es conocida como cascada de energa.

Altos nmeros de Reynolds: la turbulencia se origina como una inestabilidad de flujos laminares, ante cualquier perturbacin inicial. Del anlisis de la estabilidad de soluciones de flujos laminares, se evidencia que la solucin se hace inestable a partirde un cierto valor del nmero de Reynolds, o valor crtico, el cual depende del tipo de aplicacin. Sin embargo es posible mantener flujos laminares por encima delReynolds crtico si en el entorno se aseguran unas condiciones absolutamente libresde perturbacin, por ejemplo con una cimentacin independiente que impida la transmisin de vibraciones a la instalacin con el flujo bajo estudio.

En definitiva, la turbulencia es un fenmeno complejo gobernado por las ecuaciones de la Mecnica de Fluidos para un medio continuo, puesto que incluso las escalas ms pequeas que aparecen en un flujo turbulento, las de Kolmogorov, estn muy lejos de las escalas de longitud molecular. Sin embargo su solucin analtica resulta inviable, y se recurre a correlaciones empricas.

OBJETIVODeterminar los diferentes flujos a travs del caudal obtenido.EQUIPO El equipo consiste en: El banco mvil hidrulico, que se utiliza para mantener una amplia gama de variedad de mdulos, en este caso nuestro banco mvil hidrulico ser nuestro reservorio de agua, adems que cuenta con una vlvula que hace que el caudal aumente o disminuya (controlador de caudal).

Banco hidrulico Piezmetro Cronometro Conductores de agua (10 mm) Aparato de Reynolds. Fluido qumico utilizado para diferenciar los flujos. El fluido agua esencialmente. Probeta Los apuntes y calculadoras.

Adems utilizaremos como siempre las probetas para medir el volumen y el cronometro para medir el tiempo.

PROCEDIMIENTO A travs del depsito que se eleva observamos a travs del tubo vertical las lneas de flujo colorantes, luego verificamos a travs de la muestra si es laminar, transicional o turbulento.

Despus de observar las lneas colorantes, llenamos la probeta en un tiempo determinado y medimos el volumen obtenido.

Realizamos 7 ensayos diferentes aumentando el flujo del agua y obtenemos el nmero de Reynolds y podremos saber si el flujo es laminar, transicional o turbulento.

Formula Aplicativa:

De donde:Re= Numero de Reynolds V=Velocidad del FlujoD=Dimetro del Conducto del Agua = Viscosidad Cinemtica tabla A1Sabiendo que: Re 5000 ------------Flujo Turbulento

En este mtodo aprenderemos a calcular que tipo de flujo se presenta en el diseo quiz de un canal como pueden ser laminar, transicional y turbulento. Teniendo estos datos nosotros como ingenieros civiles estamos aptos para disear una estructura con la finalidad de resistir la mayora de los agentes destructivos que en ella se presentan. Para eso se hace una simulacin en un laboratorio con la finalidad de adelantarse a los hechos. El ensayo de laboratorio trata que con la ayuda de un reactivo qumico que se le vaccea sobre un deposito con la finalidad de verlo por medio de un tubo transparente que contiene agua y a inspeccin visual deducir que tipo de flujo es. Para eso nos ayudamos del banco hidrulico y de la vlvula que controla el caudal. Y vaciamos lquido a la probeta en un determinado tiempo para as poder calcular el nmero de Reynolds. El procedimiento lo hemos realizado 7 veces con la finalidad de comparar lo que nosotros habamos observado y luego con los clculos verificar el tipo de flujo propuesto por nosotros.

Por ultimo medimos la temperatura del agua de ensayo.

DATOS OBTENIDOS EN EL LABORATORIO

Temperatura: 28.4 grados centgradosDimetro: 10mm

CONCLUSIONES Las prcticas de laboratorio son esencialmente importantes por el motivo que nos lleva de la idealizacin o teora a la realidad y simulacin de la forma que va a trabajar nuestras estructuras, canales, diseos etc. En el futuro.

En mecnica de fluidos, Hidrulica y en diversas reas es de vital importancia saber calcular caudales y reconocer que tipo de flujo vamos a estudiar con la finalidad de realizar un proyecto optimo y de garanta para la sociedad y bienestar humano.

Con el experimento realizado ya podemos como alumnos detectar que tipo de flujo fluye por un canal o tubera.

Lo ms importante que nos hemos relacionado con la prctica y se ha comparado con la teora la cual es muy verdica y ayuda a la solucin de problemas.

En nuestras mediciones hemos tratado de ser muy exactos, pero no siempre la vista del hombre tiene la medicin correcta, por los que en el tercer ensayo cometimos un error ya que lo observado fue un flujo transicional y en la comprobacin resulto ser un flujo turbulento.

Hemos aprendido al diferenciar un flujo laminar, transicional y turbulento.

Estos ensayos nos da mayores conocimientos de cmo se comportan los flujos de agua en las tuberas y canales.

Hoja1

FLUJO OBSERVADOVOLUMEN (mml) TIEMPO (seg)VISCOSIDAD (m2/seg)DIAMETRO (mm)VELOCIDAD (m/seg)NUMERO REYNOLDSFLUJO CALCULADOLAMINAR 10336.920.8831*10^-610.000.036377.88LAMINARLAMINAR 17516.680.8831*10^-610.000.1341421.10LAMINARTRANSICIONAL20919.810.8831*10^-610.000.1341429.04LAMINARTRANSICIONAL23015.520.8831*10^-610.000.1892007.33TRANSICIONALTRANSICIONAL25013.370.8831*10^-610.000.2382532.74TRANSICIONALTRANSICIONAL29010.270.8831*10^-610.000.3603824.81TRANSICIONALTURBULENTO2914.500.8831*10^-610.000.8238759.17TURBULENTO