Upload
rolando-vera-chavez
View
238
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
laboratorio
Citation preview
CURSO: MECÁNICA DE FLUIDOS DOCENTE: Ms. RICARDO NARVAEZ ARANDA
PRACTICA DE LABORATORIO Nº 01:
CUBA DE REYNOLDS
1. INTRODUCCIÓN
Una de las constantes preocupaciones de los ingenieros es la predicción,
conocimiento y manejo del flujo de los fluidos para adecuarlos al tipo de
operación requerido. Esto requiere que los patrones de flujo sean
estables o inestables en el tiempo, lo que lleva al mismo tiempo a instruir
sobre tipos de flujos: “Laminar” o “Turbulento”.
La razón por la cual el flujo puede ser laminar o turbulento tiene que ver
lo que sucede ante una alteración pequeña de flujo, esto es una
perturbación al vector velocidad, según esto, cuando una perturbación
afecta a una partícula, esta tiene dos alternativas: Incrementar solo en el
sentido del flujo, en este caso se dice que el patrón de flujo al que
pertenece la partícula es laminar por cuanto no existe componentes en la
dirección transversal que haga que las partículas se mezcle con las
colindantes; si la perturbación afecta al vector velocidad de modo que
tenga un componente normal a la dirección del flujo, la partícula
1
CURSO: MECÁNICA DE FLUIDOS DOCENTE: Ms. RICARDO NARVAEZ ARANDA
inevitablemente se mezclará con el resto del fluido denominándose
entonces a este tipo de flujo “flujo turbulento”
2. OBJETIVOS
El objetivo principal de esta experiencia es la visualización de flujos
en diferentes regímenes de escurrimiento, diferenciando el flujo
laminar (flujo ordenado, lento) del flujo turbulento (flujo
desordenado, rápido).
N
Demostrar que cualquier flujo necesariamente depende de tres
parámetros para definir su correspondiente, estos son: la
velocidad, longitud geométrica característica que en el caso de
tubería puede ser un diámetro, su viscosidad cinemática que a su
vez depende de la temperatura. Una cifra adimensional que reúne
estos tres parámetros es el “Nº de Reynolds”.
3. FUNDAMENTO TEORICO
DEFINICIÓN DE FLUIDO
Un fluido es una sustancia que cede inmediatamente a cualquier
fuerza tendente a alterar su forma, con lo que fluye y se adapta a la
forma del recipiente. Los fluidos pueden ser líquidos o gases. Las
partículas que componen un líquido no están rígidamente adheridas
entre sí, pero están más unidas que las de un gas. El volumen de un
líquido contenido en un recipiente hermético permanece constante, y
el líquido tiene una superficie límite definida. En contraste, un gas no
tiene límite natural, y se expande y difunde en el aire disminuyendo
su densidad. A veces resulta difícil distinguir entre sólidos y fluidos,
2
CURSO: MECÁNICA DE FLUIDOS DOCENTE: Ms. RICARDO NARVAEZ ARANDA
porque los sólidos pueden fluir muy lentamente cuando están
sometidos a presión, como ocurre por ejemplo en los glaciares.
CAUDAL: Es la cantidad de fluido que pasa en una unidad de
tiempo. Normalmente se identifica con el flujo volumétrico o volumen
que pasa por un área dada en la unidad de tiempo.
VISCOSIDAD
Propiedad de un fluido que tiende a oponerse a su flujo cuando se le
aplica una fuerza. Los fluidos de alta viscosidad presentan una cierta
resistencia a fluir; los fluidos de baja viscosidad fluyen con facilidad.
La fuerza con la que una capa de fluido en movimiento arrastra
consigo a las capas adyacentes de fluido determina su viscosidad,
que se mide con un recipiente (viscosímetro) que tiene un orificio de
tamaño conocido en el fondo. La velocidad con la que el fluido sale
por el orificio es una medida de su viscosidad.
La viscosidad de un fluido disminuye con la reducción de densidad
que tiene lugar al aumentar la temperatura. En un fluido menos denso
hay menos moléculas por unidad de volumen que puedan transferir
impulso desde la capa en movimiento hasta la capa estacionaria.
Esto, a su vez, afecta a la velocidad de las distintas capas. El
momento se transfiere con más dificultad entre las capas, y la
viscosidad disminuye. En algunos líquidos, el aumento de la
velocidad molecular compensa la reducción de la densidad.
FLUJO VISCOSO Y NO VISCOSO
Flujo viscoso: Es aquel en el que los efectos de la viscosidad son
tan importantes y no se pueden despreciar.
3
CURSO: MECÁNICA DE FLUIDOS DOCENTE: Ms. RICARDO NARVAEZ ARANDA
Flujo no viscoso: es aquel en el que los efectos de la viscosidad
no afectan significativamente el flujo y por lo tanto no se toma en
cuenta.
CARACTERÍSTICAS DEL FLUJO
El flujo de los fluidos puede clasificarse de la siguiente manera:
A.Flujo laminar:
En el flujo laminar el gradiente de velocidades es diferente de cero.
El perfil de velocidad es una curva de forma suave y el fluido se
mueve a lo largo de líneas de corriente de aspecto aislado. El flujo
se denomina laminar porque aparece como una serie de capas
delgadas de fluido (láminas) que se deslizan unas sobre otras. En
el flujo laminar las partículas de fluido se mueven a lo largo de las
líneas de corriente fijas y no se desplazan de una a otra. El
concepto de fricción en el fluido es una analogía adecuada para el
esfuerzo cortante más aún es realmente el resultado de una
transferencia de momento molecular, de fuerzas intermoleculares o
de ambas cosas.
B. Flujo Transicional
4
CURSO: MECÁNICA DE FLUIDOS DOCENTE: Ms. RICARDO NARVAEZ ARANDA
El flujo laminar se transforma en turbulento en un proceso
conocido como transición; a medida que asciende el flujo laminar
se convierte en inestable por mecanismos que no se comprenden
totalmente. Estas inestabilidades crecen y el flujo se hace
turbulento.
C. Flujo turbulento:
Se conoce como flujo turbulento al movimiento desordenado de un
fluido: Este se caracteriza por fluctuaciones al azar en la velocidad
del fluido y por un mezclado intenso. El patrón desordenado de
burbujas cercanas a la parte inferior de la pared del canal es el
resultado del mezclado del flujo turbulento en esa zona.
Nº de REYNOLDS
El número de Reynolds (Re) es un número a dimensional utilizado
en mecánica de fluidos, diseño de reactores y fenómenos de
transporte para caracterizar el movimiento de un fluido. Este
número recibe su nombre en honor de Osborne Reynolds (1842-
1912), quien lo describió en 1883.
Número de Reynolds crítico superior y Reynolds crítico inferior: Se
pueden calcular de acuerdo al flujo que aparezca en la Cuba de
Reynolds, dependerá de si el flujo es turbulento o laminar. Estos
números críticos nacen de las relaciones de viscosidad cinemática,
densidad de masa, longitud y velocidad.
5
CURSO: MECÁNICA DE FLUIDOS DOCENTE: Ms. RICARDO NARVAEZ ARANDA
Para R (2300 (máximo para flujo laminar en una tubería) la mayoría
de las situaciones de ingeniería pueden considerarse como “no
perturbadas”, aunque en el laboratorio no es posible obtener un flujo
laminar a números de Reynolds más elevados. Para R (4000
mínimo para el flujo turbulento estable en una tubería) este tipo de
flujo se da en la mayoría de aplicaciones de ingeniería.
O equivalentemente por:
Donde:
ρ : densidad del fluido
vs : velocidad característica del fluido
D : Diámetro de la tubería a través de la cual circula el fluido o
longitud característica del sistema.
μ : viscosidad dinámica del fluido
ν : viscosidad cinemática del fluido
Como todo número adimensional es un cociente, una comparación.
En este caso es la relación entre los términos convectivos y los
términos viscosos de las ecuaciones de Navier-Stokes que
gobiernan el movimiento de los fluidos.
6
CURSO: MECÁNICA DE FLUIDOS DOCENTE: Ms. RICARDO NARVAEZ ARANDA
Por ejemplo un flujo con un número de Reynolds alrededor de
100.000 (típico en el movimiento de una aeronave pequeña, salvo
en zonas próximas a la capa límite expresa que las fuerzas viscosas
son 100.000 veces menores que las fuerzas convectivas, y por lo
tanto aquellas pueden ser ignoradas. Un ejemplo del caso contrario
sería un cojinete axial lubricado con un fluido y sometido a una
cierta carga. En este caso el número de Reynolds es mucho menor
que 1 indicando que ahora las fuerzas dominantes son las viscosas
y por lo tanto las convectivas pueden despreciarse. Otro ejemplo: En
el análisis del movimiento de fluidos en el interior de conductos
proporciona una indicación de la pérdida de carga causada por
efectos viscosos.
4. MATERIALES E INSTRUMENTOS
MATERIALES CARACTERISTICA /CANTIDAD
INSTRUMENTO CARACTERISTICA / PRECISION
7
CURSO: MECÁNICA DE FLUIDOS DOCENTE: Ms. RICARDO NARVAEZ ARANDA
5. PROCEDIMIENTO Llenar la Cuba de Reynolds con agua y esperar que cese cualquier
clase de movimiento, y mantenerlo a un mismo nivel, marcado
anteriormente.
Abrir la válvula de salida del tubo de vidrio y luego abrir la válvula
del inyector de colorante y observar su comportamiento, si se
mantiene a modo de un hilo colorecido extendido en toda la
extensión del tubo se estará ante un flujo laminar
Para diferentes aperturas de la válvula de salida del tubo de vidrio
medir un volumen Vo en un tiempo “t” para obtener el caudal.
Q=Vot
¿
Determinar para cada medida la velocidad del flujo en la siguiente
fórmula:
V= 4Qπ D2
Con los diferentes valores de la velocidad y la temperatura
calcular el Nº de Reynolds.
ℜ=VDg
8
CURSO: MECÁNICA DE FLUIDOS DOCENTE: Ms. RICARDO NARVAEZ ARANDA
6. CÁLCULOS
Datos iniciales:
Descripción Cantidad /valor Unidad
Diámetro
Volumen Inicial
Viscosidad
Procesamiento de datos
7. RESULTADOS7.1 Calculo de flujo laminar:
N° Temp
(°C)
Viscosidad
(Stokes)
Volumen
(m3)
Tiempo
(s)
Caudal
(m3/s)
Velocidad
(m/s)
Nº
Reynods
Tipo de
Flujo
1
2
3
4
5
6
7
8
9
9
CURSO: MECÁNICA DE FLUIDOS DOCENTE: Ms. RICARDO NARVAEZ ARANDA
10
Promedio
7.2 Calculo de flujo turbulento:
N° Temp
(°C)
Viscosidad
(Stokes)
Volumen
(m3)
Tiempo
(s)
Caudal
(m3/s)
Velocidad
(m/s)
Nº
Reynolds
Tipo de
Flujo
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
10
CURSO: MECÁNICA DE FLUIDOS DOCENTE: Ms. RICARDO NARVAEZ ARANDA
Promedio
8. CUESTIONARIO- Ubique en un plano f vs Re, los cinco campos de flujo: laminar,
critico, turbulento liso, transitorio y turbulento rugoso.
- Comparar los Re hallados con los recomendados por los textos,
si hubiera discrepancia en lo referente a los valores para la
definición de un flujo laminar y un flujo turbulento dar una
explicación desde el punto de vista personal.
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
………………………………………………………………………….
11
CURSO: MECÁNICA DE FLUIDOS DOCENTE: Ms. RICARDO NARVAEZ ARANDA
- Explicar porque un flujo es laminar o turbulento.
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
………………………………………………………………………..
- Ubicar en un diagrama de Moody los valores experimentales
hallados de Re y explique la razón si es que existe dificultad.
9. CONCLUSIONES……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………..
10. RECOMENDACIONES……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
12
CURSO: MECÁNICA DE FLUIDOS DOCENTE: Ms. RICARDO NARVAEZ ARANDA
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
11. BIBLIOGRAFIA……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
13