Lab. 1 - Experimento de Reynolds.pdf

Universidad de Santiago de Chile Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Mecánica Laboratorio de Mecánica de Fluidos

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Resumen Ejecutivo El presente informe consiste en la Experiencia E931 “Visualización de Flujos”, en la cual a

partir del Aparato de Reynolds se visualizan los distintos tipos de flujos del agua a medida que

aumenta el caudal de este.

Los datos que se obtienen en esta experiencia se comparan con los que dicta la teoría, en

2 ocasiones entregan valores anómalos, estos se deben a la difícil visualización del flujo y a que al

fluido le lleva más tiempo disminuir su velocidad.



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Índice

Introducción _____________________________________________________________ 3

Objetivos _______________________________________________________________ 3

General ______________________________________________________________________ 3

Específico ____________________________________________________________________ 3

Marco Teórico ___________________________________________________________ 4

Equipos Utilizados ________________________________________________________ 5

Metodología _____________________________________________________________ 7

Cálculos y Registros _______________________________________________________ 7

Análisis de Resultados _____________________________________________________ 8

Conclusión ______________________________________________________________ 9

Apéndice _______________________________________________________________ 10

Cálculos ____________________________________________________________________ 10

Tarea __________________________________________________________________ 11

Bibliografía _____________________________________________________________ 12



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Introducción La materia en la naturaleza puede encontrarse en tres estados de agregación “Líquido -

Gaseoso - Sólido” siendo los dos primeros lo que se denominan fluidos. Fluido es todo cuerpo que

tiene la propiedad de fluir, carece de rigidez y elasticidad, en consecuencia cede inmediatamente a

cualquier fuerza que tiende a alterar su forma y adoptando así la forma del recipiente que lo

contiene.

La Mecánica de Fluidos es el estudio del comportamiento de los fluidos, ya sea que estos

estén en reposo (Estática de Fluidos) o en movimiento (Dinámica de Fluidos).

La experiencia consiste en observar y analizar los distintos flujos del Permanganato de

Potasio, a partir del Aparato de Reynolds

Para entender cómo se comporta un flujo a distintas velocidad, se puede cuantificar su

comportamiento mediante el número de Reynolds, este es un número adimensional que permite

clasificar dentro de un rango “Laminar – Transición – Turbulento” el comportamiento de los flujos.

Objetivos

General Observar y evaluar el tipo de flujo, de acuerdo a si es Laminar, Transición o Turbulento.

Específico Determinar el caudal y la velocidad, para calcular el número de Reynolds (Re), para luego

comprobar si el resultado práctico concuerda con el teórico



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Marco Teórico

Número de Reynolds

Es un número adimensional utilizado en mecánica de fluidos, para caracterizar el

movimiento de un fluido. Este número relaciona la velocidad del fluido (�⃗� ), el diámetro (D) y la

viscosidad cinemática (𝜐). El número de Reynolds se calcula de la siguiente forma:

𝑅𝑒 = 𝑣 ∗ 𝐷

𝜐 ó 𝑅𝑒 =

𝜌 ∗ 𝑣 ∗ 𝐷

𝜇

Reynolds logró establecer un criterio cuantitativo para predecir la aparición de uno y otro

flujo.

𝑅𝑒 < 2000 → 𝐿𝑎𝑚𝑖𝑛𝑎𝑟

2000 < 𝑅𝑒 < 4000 → 𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛

𝑅𝑒 > 4000 → 𝑇𝑢𝑟𝑏𝑢𝑙𝑒𝑛𝑡𝑜

Flujo Laminar

Es el movimiento de un fluido cuando este es ordenado, estratificado, suave. En este tipo

de flujo, el fluido se mueve en láminas paralelas sin entremezclarse y cada partícula del fluido

sigue una trayectoria suave, este tipo de movimiento se da a bajas velocidades.

Flujo Turbulento

Es el movimiento de un fluido que se da en forma caótica, en que las partículas se mueven

desordenadamente y las trayectorias de las partículas se encuentran formando pequeños

remolinos periódicos, este tipo de movimiento se da a altas velocidades.



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Viscosidad

Es la oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales, es debida a las fuerzas de

cohesión moleculares, en otras palabras es la resistencia de un fluido al movimiento. Esta se

manifiesta sólo en los líquidos en movimiento y es la relación entre el esfuerzo cortante y el

gradiente de velocidad. Esta viscosidad se denomina Viscosidad Dinámica o Absoluta y se

representa mediante la letra griega (μ).

También está la Viscosidad Cinemática (υ) que se obtiene entre el cociente de la

Viscosidad Dinámica y la Densidad.

𝜐 = 𝜇

𝜌

Caudal

Es la cantidad de fluido que circula a través de una sección del ducto sea esta una tubería,

cañería por unidad de tiempo.

𝑄 = 𝑉

𝑡 ó 𝑄 = 𝑣 ∗ 𝐴

Equipos Utilizados

Termómetro Digital

Se utiliza un termómetro digital para poder medir la temperatura del fluido con el cual se

está trabajando (en este caso Agua) y así obtener mediante tablas la Viscosidad Dinámica del

fluido a dicha temperatura.



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Cronómetro

Se utiliza un cronómetro para medir el tiempo que se demora en llenar cierto volumen de

la probeta y luego calcular el Caudal del fluido. El cronómetro utilizado entrega cifras hasta la

milésima de segundo.

Probeta

Se utiliza una probeta para medir el volumen del fluido en un tiempo determinado medido

por un Cronómetro, para luego calcular el Caudal del Fluido. La probeta utilizada es de 1000 [mL].

Aparato de Reynolds

Este aparato nos permite visualizar los 3 flujos que se presentan en el experimento

dependiendo del caudal del fluido que está en movimiento. Este aparato está compuesto por un

estanque que contiene un rebalse para mantener la cantidad de agua constante, un inyector, una

tubería de vidrio de 3 cm de diámetro y una válvula para controlar el caudal de agua.



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Metodología En la experiencia lo primero es observar el equipo a utilizar y los instrumentos

correspondientes, un vez que se tiene conocimiento del funcionamiento de estos se da comienzo

al experimento.

Se prepara el Aparato de Reynolds, dejando que el estanque se llene con agua hasta que

este llegue al rebalse, así se mantiene el fluido a un nivel constante en el estanque. Una vez que

esto ocurre se abre la válvula y se observa el caudal que es expulsado por la tubería.

Se inyecta por primera vez el Permanganato de Potasio y se observa el flujo de este en la

tubería, luego con la probeta y el cronómetro calculamos el caudal de salida del agua en ese

momento. El experimento se repite 3 veces más, abriendo cada vez más la válvula, a partir de esto

se nota el cambio en el flujo, ya que este pasa de Laminar a Transición y de Transición a

Turbulento, luego de esto se repite 3 veces el experimento pero en esta ocasión cerrando la

válvula.

Una vez que el experimento concluye, se mide la temperatura del agua. El experimento se

repite un total de 7 veces (4 aumentando el flujo y 3 disminuyéndolo), luego se confecciona una

tabla con los valores obtenidos.

Cálculos y Registros A continuación se presentan los datos obtenidos en la experiencia y los obtenidos

mediante la tabla del libro “Mecánica de Fluidos – Yunus Cengel”.

𝑇° = 25,2°𝐶 ; 𝐷 = 30 [𝑚𝑚] ; 𝜇 = 0,000891 [𝐾𝑔

𝑚 ∗ 𝑠] ; 𝜌 = 997,0 [

𝐾𝑔

𝑚3]

Medición Volumen

[mL] Tiempo

[s] Observación

1 (↑) 507 45,582 Laminar

2 (↑) 622 26,778 Laminar

3 (↑) 600 12,997 Transición

4 (↑) 668 6,916 Turbulento

5 (↓) 603 9,965 Turbulento

6 (↓) 590 16,936 Transición-Laminar

7 (↓) 560 21,758 Laminar

Tabla 1: Resultados obtenidos.



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A partir de los datos obtenidos, se puede calcular los caudales del fluido, la velocidad de

este y el número de Reynolds, mediante las siguientes fórmulas:

𝑄 = 𝑉

𝑡 (𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙)

𝑣 = 𝑄

𝐴 (𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑)

𝑅𝑒 = 𝜌 ∗ 𝑣 ∗ 𝐷

𝜇 (𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑅𝑒𝑦𝑛𝑑𝑜𝑙𝑠)

A continuación se observa el registro con los datos obtenidos. (Ver apéndice para el

desarrollo de los cálculos)

Medición Volumen

[mL] Volumen

[m3] Tiempo

[s] Caudal [m3/s]

Velocidad [m/s]

Observación N° Re

1 (↑) 507 0,000507 45,582 0,00001112 0,0157 Laminar 528,227

2 (↑) 622 0,000622 26,778 0,00002322 0,0328 Laminar 1103,109

3 (↑) 600 0,006000 12,997 0,00004616 0,0657 Transición 2192,373

4 (↑) 668 0,000668 6,916 0,00009658 0,1366 Turbulento 4586,990

5 (↓) 603 0,000603 9,965 0,00006051 0,0856 Turbulento 2873,732

6 (↓) 590 0,000590 16,936 0,00003483 0,0492 Transición-Laminar 1654,426

7 (↓) 560 0,000560 21,758 0,00002573 0,0364 Laminar 1222,293

Tabla 2: Resultados obtenidos a partir de los cálculos realizados.

Análisis de Resultados A partir de los resultados de la experiencia, se pueden comparar los datos obtenidos en

esta con los valores teóricos, a continuación se observa una tabla con dicha comparación.

Medición N° Reynolds Observación Teoría

1 (↑) 528,227 Laminar Laminar

2 (↑) 1103,109 Laminar Laminar

3 (↑) 2192,373 Transición Transición

4 (↑) 4586,990 Turbulento Turbulento

5 (↓) 2873,732 Turbulento Transición

6 (↓) 1654,426 Transición-Laminar Laminar

7 (↓) 1222,293 Laminar Laminar

Tabla 3: Comparación entre los datos observados y los teóricos.



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Respecto a los datos que se muestran en la tabla 3, se observa que la mayoría de los datos

obtenidos en la experiencia coinciden con los datos teóricos, esto ocurre en la medición “1, 2, 3, 4

y 7”, en cambio en la medición “5 y 6” ocurren situaciones anómalas que no concuerdan con los

datos obtenidos, esto se puede deber a que simple vista es difícil diferenciar entre los regímenes.

Cabe destacar que en las situaciones anómalas ocurren cuando el caudal se disminuye, a

partir de esto se puede inferir que el fluido le toma más tiempo disminuir su velocidad que

aumentarla, ya que las primeros 4 mediciones (cuando el caudal fue en aumento) las

observaciones y datos obtenidos concuerdan con la teoría.

En la medición 4 se observó el comportamiento más turbulento del Permanganato de

Potasio, este se produjo cuando el caudal fue el máximo, por consiguiente se obtiene el mayor

Número de Reynolds (4586,990).

En la medición “3, 5 y 6” se observan flujos de transición de distinta intensidad, uno más

turbulentos o laminares que otros.

Conclusión De acuerdo a lo expuesto en este informe, se aprecia que los valores calculados coinciden

casi en su totalidad con los observados, las situaciones anómalas obtenidas ocurren cuando el

régimen es de Transición, ya que es difícil distinguir con claridad este tipo de flujo, esto se

demuestra en la medición 6, ya que se observa un régimen Transición-Laminar y por teoría este

debe corresponder a Laminar, esto ocurre debido a que al fluido le lleva más tiempo ordenarse de

forma Laminar, si se hubiera esperado más tiempo se hubiese logrado notar el régimen Laminar

con claridad.

En la medición 5 cuando se disminuye el caudal del fluido se observa un régimen

Turbulento, pero según los valores obtenidos y la teoría este corresponde a un régimen de

Transición, esto se debe a que al fluido le es más difícil pasar de un estado Turbulento a un estado

Laminar. En cambio para un fluido es mucho más fácil pasar de un estado Laminar a Turbulento,

esto se nota en las primeras observaciones, ya que los cambios de regímenes son bastante

notorios cuando el fluido aumenta su velocidad generando que el Permanganato de Potasio se

desordene y no cuando el fluido disminuye su caudal.



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Apéndice

Cálculos A continuación se realizan los cálculos para la “Medición 4”. A partir de la Tabla 1 y la

siguiente fórmula, se obtiene el caudal del fluido en ese momento:

𝑄 = 𝑉

𝑡

Reemplazando con los valores de la tabla se obtiene:

𝑄 = 0,000668

6,916 [𝑚3

𝑠]

𝑄 = 0,000096588 [𝑚3

𝑠]

A partir del Caudal podemos obtener la Velocidad del fluido, mediante la siguiente

fórmula:

𝑣 = 𝑄

𝐴

Reemplazando con los valores obtenidos, se tiene:

𝑣 = 0,000096588

𝜋 ∗ 0,032

4

[𝑚

𝑠]

𝑣 = 0,1366435345 [𝑚

𝑠]

Ahora se puede calcular el Número de Reynolds, a partir de esta fórmula:

𝑅𝑒 = 𝜌 ∗ 𝑣 ∗ 𝐷

𝜇

Reemplazando con los valores, se tiene:

𝑅𝑒 = 997 ∗ 0,1366435345 ∗ 0,03

0,000891

𝑅𝑒 = 4586,990



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Se repite el mismo procedimiento para las otras mediciones, y se obtiene la siguiente

tabla:

Medición Volumen

[mL] Volumen

[m3] Tiempo

[s] Caudal [m3/s]

Velocidad [m/s]

Observación N° Re

1 (↑) 507 0,000507 45,582 0,00001112 0,0157 Laminar 528,227

2 (↑) 622 0,000622 26,778 0,00002322 0,0328 Laminar 1103,109

3 (↑) 600 0,006000 12,997 0,00004616 0,0657 Transición 2192,373

4 (↑) 668 0,000668 6,916 0,00009658 0,1366 Turbulento 4586,990

5 (↓) 603 0,000603 9,965 0,00006051 0,0856 Turbulento 2873,732

6 (↓) 590 0,000590 16,936 0,00003483 0,0492 Transición-Laminar 1654,426

7 (↓) 560 0,000560 21,758 0,00002573 0,0364 Laminar 1222,293

Tabla 2: Resultados obtenidos a partir de los cálculos realizados.

Tarea 1) Describir características fundamentales de los flujos laminar y turbulento.

Laminar: Es el movimiento de un fluido cuando éste es ordenado, estratificado, suave. En este tipo

de flujo, el fluido se mueve en láminas paralelas sin intersectar la trayectoria de sí mismo, cada

partícula del fluido sigue una trayectoria suave. Este flujo se da en velocidades bajas y se puede

cuantificar según el Número de Reynolds cuando este es menor a 2000.

Turbulento: Es el movimiento de un fluido que se da en forma caótica, en que las partículas se

mueven desordenadamente y las trayectorias de las partículas se encuentran formando pequeños

remolinos. Este flujo se da a altas velocidades y se puede cuantificar según el Número de Reynolds

cuando este es mayor a 4000.

2) Nombre 3 aplicaciones reales de cada uno de ellos.

Laminar:

Sistemas de ventilación de ambientes estériles.

Campanas de flujo laminar.

Filtro Absoluto o HEPA

Turbulento

Plantas Termoeléctricas

Diseño de tuberías y transporte de fluidos.

Plantas Hidroeléctricas



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Bibliografía

- Capítulo 1. Introducción y Conceptos Básicos.

“Mecánica de Fluidos Fundamentos y Aplicaciones - Yunus Cengel y John Cimbala – 1° Edición”.

- Tabla A-3. Propiedades del Agua Saturada.

“Mecánica de Fluidos Fundamentos y Aplicaciones - Yunus Cengel y John Cimbala – 1° Edición”.

- Aplicación del Flujo Laminar.

“http://www.quiminet.com/articulos/los-principales-usos-y-aplicaciones-de-las-campanas-de-

flujo-laminar-48756.htm”

Documents

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