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MECÁNICA DE FLUIDOS
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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
inevitablemente se mezclará con el resto del fluido denominándose entonces a
este tipo de flujo “flujo turbulento”
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CURSO: MECÁNICA DE FLUIDOS DOCENTE: Ms. RICARDO NARVAEZ ARANDA
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, porque los sólidos pueden fluir muy
lentamente cuando están sometidos a presión, como ocurre por ejemplo en
los glaciares.
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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.
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.
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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
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
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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.
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:
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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.
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
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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
5. PROCEDIMIENTO
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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= 4Q
π D2Con los diferentes valores de la velocidad y la temperatura
calcular el Nº de Reynolds.
6. CÁLCULOS
Datos iniciales:
Descripción Cantidad /valor Unidad
Diámetro
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Volumen Inicial
Viscosidad
Procesamiento de datos
7. RESULTADOS
7.1Calculo 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
9
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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
Promedio
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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.
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- Explicar porque un flujo es laminar o turbulento.
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- Ubicar en un diagrama de Moody los valores experimentales hallados
de Re y explique la razón si es que existe dificultad.
9. CONCLUSIONES
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10.RECOMENDACIONES
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11.BIBLIOGRAFIA
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