Instituto Tecnológico de Mexicali

Ingeniería Química

Materia:

Laboratorio Integral I

Tema:

Práctica

Detección de flujo laminar y turbulento

Integrantes:

Nombre del profesorNorman Edilberto Rivera Pazos

Mexicali, B.C. a 9 de febrero de 2015

Aranda Sierra Claudia Janette

Castillo Tapia Lucero Abigail

Cruz Victorio Alejandro Joshua

De La Rocha León Ana Paulina

Guillén Carvajal Karen Michelle

Lozoya Chávez Fernanda Viridiana

Rubio Martínez José Luis

12490384

11490627

12490696

11490631

12940396

12490402

12490417

Índice

Práctica

Título: “Detección de flujo laminar y turbulento”

Objetivo 2

Introducción 2

Marco teórico 3

Flujo laminar 3

Flujo turbulento 4

Flujo en transición 4

Flujo laminar o turbulento 5

Número de Reynolds 5

Reactivos 6

Material y equipo 6

Procedimiento 7

Diseño del prototipo 8

Cálculos 8

Evidencias 13

Análisis 16

1

Observaciones 17

Conclusión 17

Bibliografía 17

Práctica III

Título:

“Detección de flujo laminar y turbulento”

Objetivo:

Observar e identificar las diferencias en el comportamiento de los perfiles de velocidad para

flujos laminares y turbulentos mediante un prototipo desarrollado por el equipo, permitiendo

obtener evidencias de dichos perfiles.

Objetivos específicos:

Desarrollo de un prototipo que se capaz de producir los comportamientos deseados.

Capacidad para generar flujos que sean laminares como turbulentos.

Diferenciar los perfiles de velocidad.

Comprobar teóricamente los resultados utilizando el número de Reynolds.

Introducción

Cuando dos partículas que se mueven a diferentes velocidades se manifiestan fuerzas de

fricción que actúan tangencialmente a las mismas. En ese mismo instante, las partículas

2

comienzan a rotar por dichas fuerzas, pero a la vez la viscosidad trata de impedir ese

movimiento. Dependiendo del valor de las fuerzas se producen diferentes estados de flujo.

Cuando la diferencia de velocidades es baja, entonces las fuerzas inerciales son mayores que

las de fricción y de esta forma las partículas no rotan sino se desplazan. Si se llegara a dar

dichos giros serían con muy poca energía. Es así como las partículas siguen una trayectoria

definida. Este tipo de flujo fue identificado por O. Reynolds y se denomina “laminar”.

Al aumentar el gradiente de velocidad se incrementa la fricción entre las partículas y el fluido, y

estas adquieren una energía de rotación apreciable, la viscosidad pierde su efecto, y debido a

la rotación las partículas cambian de trayectoria. Al pasar de unas trayectorias a otras, las

partículas chocan entre sí y cambian de rumbo en forma errática y a este tipo de flujo se le

llama “turbulento”.

Fundamento teórico

Los fluidos pueden ser líquidos o gases y al movimiento de estos se le llama flujo. Este flujo

involucra las leyes de la física, las propiedades del fluido y características del medio ambiente o

conducto por el cual fluye. Los flujos se pueden clasificar de distintas maneras, atendiendo al

cambio y dirección que sufren las partículas debido al espacio recorrido, al cambio de velocidad,

dirección y posición de las partículas respecto al tiempo. Un flujo viscoso puede ser clasificado

como laminar o turbulento.

Flujo laminar

Es aquel en el que el movimiento de las partículas tiene solamente el sentido y la dirección de

movimiento principal del fluido; éste es perfectamente ordenado, estratificado, suave, de

manera que el fluido se mueve en láminas paralelas sin mezclado significativo pero con

esfuerzos cortantes viscosos significativos si la corriente tiene lugar entre dos planos paralelos.

Se puede presentar en conductos cerrados, o abiertos. El mecanismo de transporte es

exclusivamente molecular. Se dice que este flujo es aerodinámico. En el flujo aerodinámico,

cada partícula de fluido sigue una trayectoria suave, llamada línea de corriente. Otra manera de

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verlo, es que cuando las fuerzas de inercia del fluido en movimiento son muy bajas, la

viscosidad es la fuerza dominante y el flujo es laminar.

Si en un fluido laminar se inyectara un colorante, el flujo no se mezclaría con el fluido cercano

excepto por actividad molecular, por lo que, conservará su identidad durante un lapso de tiempo

relativamente largo.

Flujo turbulento

Es aquel en el que las partículas del fluido tienen desplazamiento en sentidos diferentes al del

movimiento principal del fluido. El flujo varía irregularmente de modo que sus cantidades

muestran una variación aleatoria. En este tipo de flujos al moverse las partículas con

movimiento errático tienen como consecuencias el que se presenten colisiones entre ellas (se

incrementa la fricción entre las partículas vecinas), y esto genera cambios en la cantidad de

movimiento, los cuales se manifiestan como una pérdida de energía y en movimiento rotatorio.

En un flujo turbulento los movimientos del fluido varían irregularmente de tal suerte que las

cantidades tales como velocidad y presión muestran una variación aleatoria con el tiempo y las

coordenadas espaciales.

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Un colorante inyectado en un flujo turbulento se mezclará de inmediato por la acción del

movimiento aleatorio de sus partículas; rápidamente perderá su identidad en este proceso de

difusión.

Cuando predominan las fuerzas de inercia que la viscosidad, el flujo es turbulento.

Flujo en transición

Es aquel donde las líneas de flujo empiezan a pasar de un estado laminar a turbulento. Las

líneas de flujo ya no son paralelas, si no ondulares, ordenadas de una manera semiestratificada

y con un mezclado leve. Las líneas de flujo se encuentran más desordenadas en el centro del

flujo que aquellos cercanos a las paredes.

Un colorante inyectado en un flujo en transición conservara una línea ondulatoria que al

principio del flujo mantendrá su identidad pero se ira mezclando conforme avance el flujo en el

contenedor.

Laminar o turbulento

La razón por la cual un flujo puede ser laminar o turbulento tiene que ver con lo que sucede a

una pequeña perturbación del flujo. Una perturbación del flujo puede incrementar o disminuir su

tamaño. Si una perturbación del flujo en un flujo laminar se incrementa (es decir, el flujo es

inestable), el flujo puede llegar a ser turbulento; si la perturbación disminuye, el flujo permanece

laminar.

El paso de flujo laminar a turbulento es un fenómeno gradual, inicialmente se produce

turbulencia en la zona central si se lleva a cabo en un tubo donde la velocidad es mayor, pero

queda una corona de flujo laminar entre las paredes del tubo y el núcleo central turbulento.

Al aumentar la velocidad media, el espesor de la corona laminar disminuye gradualmente hasta

desaparecer totalmente. Esta última condición se consigue a altas velocidades cuando se

5

obtiene turbulencia total en el flujo. Por lo que para obtener un flujo laminar se debe de

disminuir la velocidad de flujo.

Número de Reynolds

El régimen de flujo depende de tres parámetros físicos que describen las condiciones de flujo.

El primero es una escala de longitud del campo de flujo, tal como el espesor de una caja límite

o el diámetro de un tubo. Si la escala de longitud es suficientemente grande, una perturbación

del flujo puede incrementarse y el flujo puede llegar a ser turbulento. El segundo es una escala

de velocidad tal como un promedio espacial de la velocidad; con una velocidad suficientemente

grande el flujo puede llegar a ser turbulento. El tercero es la viscosidad cinemática; con una

viscosidad suficientemente pequeña el flujo puede llegar a ser turbulento.

Los tres parámetros se pueden combinar en uno solo que puede servir como herramienta para

predecir un régimen de flujo. Esta cantidad es el número de Reynolds. Dicho parámetro es

adimensional y se define como:

ℜ= v Lν

Donde L y v son una longitud y velocidad características, respectivamente, y ν es la viscosidad

cinematica; por ejemplo, un flujo por un tubo, L sería el diámetro y V la velocidad promedio.

Comúnmente esta expresado de la siguiente manera, ya que la viscosidad cinemática se define

como:

ℜ= v Dρμ; ν= μ

ρ

Si el número de Reynolds es relativamente pequeño, el flujo es laminar; si es grande, el flujo es

turbulento. Esto se formula con más precisión definiendo un numero de Reynolds crítico,ℜcrit,

de modo que el flujo es laminar si ℜ<ℜcrit.

El flujo también puede ser intermitentemente turbulento y laminar; en ese caso se le llama flujo

intermedio o flujo estacionario. Este fenómeno ocurre cuando el número de Reynolds se

aproxima al valor crítico.

Experimentalmente se ha encontrado que en tubos de sección circular cuando el número de

Reynolds pasa de 2400 se inicia la turbulencia en la zona central del tubo, sin embargo este

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límite es muy variable y depende de las condiciones de quietud del conjunto. Para números

de Reynolds mayores de 4000 el flujo es turbulento.

Al descender la velocidad se encuentra que para números de Reynolds menores de 2100 el

flujo es siempre laminar, y cualquier turbulencia que se produzca es eliminada por la acción de

la viscosidad.

Reactivos:

Nombre tradicional Observación

Agua De la llave

Tinta azul

Material y equipo:

Cant. Nombre Observaciones

1 Probeta 1000 ml

1 Cronometro

1 Vernier

2 Manguera 1 m longitud, transparente, diámetro de 1 in

1 Botella 5 litro

1

1

1

Llave de paso

Acoplador

Pegamento Epóxico

1 Inyección Con manguera

7

1 Bomba sumergible

1 Cuba hidrodinámica

1 Tape

1 Tarugo

1 Cartulina

Procedimiento:

1. Comprobar los diámetros de las mangueras con un vernier.

2. Abrir un agujero a la botella donde se pueda colocar la manguera de diámetro de 1/2

pulgada. Al colocarla sellar con pegamento.

3. Conectar la llave de paso al otro extremo de la manguera utilizando un acoplador.

4. Colocar la manguera que viene integrada en la jeringa en el agujero de la botella y de

la manguera de ½ in.

5. Llenar la botella con agua.

6. Poner la botella en la cuba con agua y con la bomba ya sumergida.

7. Conectar una manguera de ½ in en la bomba y poner el otro extremo en la parte

superior de la botella.

8. Quitarle un gran pedazo rectangular a la botella en la parte superior, con el fin de que

la altura del agua se mantenga constante.

9. Abrir la toma de agua conectada a la manguera de ½ in y mantenerla a flujo

constante.

10. Medir el caudal. El caudal se mide tomando el tiempo (con un cronómetro) necesario

para que una probeta de 1 L se llene.

11. Realizar los cálculos de número de Reynolds para determinar el tipo de flujo.

12. Comprobar el tipo de flujo inyectando colorante y observar el perfil de velocidad que

toma el colorante en la manguera de ½ in con la inyección.

13. Abrir mayormente la llave si en el primer caso se observó un flujo laminar, si no es

así, entonces disminuir la velocidad de flujo al cerrar un poco la llave.

14. Repetir pasó 7 y 8.

Nota: Para observar mejor el flujo, es posible poner una cartulina blanca del lado inferior de la

manguera. También para que la manguera se mantenga firme, es posible amarrar con tape un

tarugo de madera.

8

Diseño del Prototipo

Cálculos, resultados y gráficas

Fórmula

ℜ= v Dν

Como

Velocidad Flujo volumétrico Área

v=QA

Q=Vt A=π D

2

4

Entonces:

ℜ=QDAν

⇒ ℜ=V DAtν

⇒ ℜ= 4VπD tν

Primer intento

Volumen 100ml 1 x10−4m3

Diámetro manguera12∈¿ 0.0127m

Viscosidad a 21℃ 1.011 x10−6m2

s

Tiempo 167 s

9

Reynoldsℜ=

4(1 x10−4m3)

π (0.0127m ) (167 s )(1.011 x10−6m2

s)=59.379 Flujo:

Laminar

Líneas característica de un flujo laminar

Luego se unen y se forma una sola linea

Segundo intento

Volumen 1000ml 1 x10−3m3

Diámetro manguera12∈¿ 0.0127m

10

Viscosidad a 21℃ 1.011 x10−6m2

s

Tiempo 151

Reynoldsℜ=

4(1 x10−3m3)

π (0.0127m ) (151 s )(1.011 x10−6 m2

s)=656.717 Flujo:

Laminar

Tercer intento

Volumen 1000ml 1 x10−3m3

Diámetro manguera12∈¿ 0.0127m

11

Viscosidad a 21℃ 1.011 x10−6m2

s

Tiempo 34 s

Reynoldsℜ=

4 (1x 10−3m3)

π (0.0127m ) (34 s )(1.011 x 10−6m2

s)=2916.596 Flujo:

Transición

Casi no se pudo observar en fotografía, por lo que es mejor ver los videos, de hecho es posible

que tampoco se aprecie muy bien, pero en vivo si ocurrió y el profesor esta de testigo.

Cuarto intento

Volumen 1000ml 1 x10−3m3

Diámetro manguera12∈¿ 0.0127m

Viscosidad a 21℃ 1.011 x10−6m2

s

Tiempo 10 s

Reynoldsℜ=

4(1x 10−3m3)

π (0.0127m ) (10 s )(1.011 x10−6m2

s)=9916.427 Flujo:

Turbulento

12

13

Evidencias

Fotografías

A continuación se mostraran las evidencias de la instalación del prototipo

14

Fotos extras de flujo laminar

15

Fotos extras de flujo turbulento

16

Más evidencias

17

Video

El video se podrá observar en el blog, que se encuentra adjunto a este documento.

Análisis

Es evidente como es fácilmente comprobable la relación que existe entre el número de

Reynolds y el tipo de flujo que se llega a observar y que es el que se manifestó.

Al variar el flujo de salida con la llave de paso, podíamos regular el flujo, haciendo que este

fuera o muy lento o muy rápido. Es así como pudimos obtener los diferentes tipos de flujos que

se comprobaban con el cálculo del número de Reynolds.

Al llevar a cabo las repeticiones con sus respectivas modificaciones, obtuvimos que el tiempo es

un factor tan importante ya que él era el único que modificaba los valores que tomaba Reynolds

porque los demás eran constantes. Al ser un tiempo menor se obtenía un flujo turbulento, por lo

que al ir aumentando gradualmente, el número de Reynolds comenzaba a disminuir hasta llegar

al flujo transitorio para luego ir hasta el flujo laminar donde el tiempo tomado era muchísimo

más que en el turbulento.

Los números obtenidos teóricamente concordaban con lo que sucedía en la vida real: cuando el

tinte formaba líneas claramente definidas en el fluido, su número de Reynolds calculado

teóricamente correspondía a un flujo laminar; cuando el tinte se diluía completamente en el

agua, su número calculado correspondía a uno turbulento.

Algo curioso que pudimos observar, es que a número de Reynolds muy pequeños, en lugar de

generarse una línea fina, primero se formaba una línea angosta y al transcurrir el tiempo

comenzaba a formarse la línea fina.

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El flujo turbulento fue espectacular. Como la tinta al tocar el flujo hacía que se expandiera en

todo el tubo y esto rápidamente se transportaba a lo largo del tubo.

En cuanto al flujo transitorio, para obtenerlo, hicimos cálculos con la fórmula del número de

Reynolds especificando que queríamos un valor de 2500 y despejábamos el tiempo, por lo que

se buscó un flujo que si se tardara dicho tiempo. No lo obtuvimos exacto, pero si lo más

cercano.

Observaciones

Estar al pendiente de fugas.

Que se esté seguro que el flujo pueda llegar a provocar un flujo laminar como turbulento.

El tipo de flujo también dependía de la posición de altura de la llave de paso, por lo que

se tuvo cuidado de colocarla justo en la mesa, tanto para mediciones como

experimentos.

Bibliografías

Fuentes de libros

Mott Robert. (2006). “Mecánica de fluidos”. Pearson. 6 ed.

Geankoplis, Christie J. (2004). “Procesos de transporte y operaciones unitarias”. Ed.Perentice Hall. 3ra Edición.

Streeter, V. L. y E. B. Wylie. (1988). “Mecánica de los fluidos”. McGraw-Hil /

Interamericana de México, S.A., México.

Fuentes electrónicas

http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/laminar_turbulento.htm http://tesis.ipn.mx/xmlui/bitstream/handle/123456789/6754/1809_EVALUACION%20DEL

%20ESFUERZO%20CORTANTE%20EN%20LA%20PARED%20PARA%20UN%20FLUJO%20TURBULENTO,%20EMPLEANDO%20LA%20TECNICA%20LASER%20PIV.pdf?sequence=1

https://alojamientos.uva.es/guia_docente/uploads/2012/389/51453/1/Documento3.pdf http://www.ugr.es/~jtorres/t7.pdf

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