UNIVERSIDAD NACIONALPEDRO RUIZ GALLO
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL, SISTEMAS Y ARQUITECTURA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
CURSOMECÁNICA DE FLUIDOS II
PRÁCTICA DE LABORATORIO N°01EXPERIENCIA DE OSBORNE REYNOLDS
FECHA DE ENTREGA DE TRABAJO13 – 09 – 10
Mecánica de Fluidos II Experiencia de Osborne Reynolds
INTRODUCCIÓN
El comportamiento de los fluidos es importante para los
procesos de Ingeniería. La primera diferenciación de los flujos, fue
experimentada por el profesor Osborne Reynolds, en 1883. El
sistema consistió en un tanque lleno de agua, en el cual se sumergió
un tubo de vidrio. Mediante una válvula dispuesta en dicho tubo, se
puede hacer circular un flujo controlado de esta agua colorada, la que
procede de una vasija dispuesta en la parte superior del estanque.
El profesor Reynolds observó que a bajas velocidades no se
producían mezclas transversales en el flujo, por lo cual este chorro de
agua colorada circulaba intacto a lo largo de todo el tubo. El
comportamiento del chorro, era en líneas paralelas al tubo, por lo que
se dedujo el Flujo laminar.
Por otra parte, al aumentar la velocidad del flujo se alcanzaba
un cierto punto crítico de velocidad, para la cual la línea colorada se
difundía a través de todo el tubo, desapareciendo como tal; este
comportamiento del fluido, indicó que el agua ahora circulaba al azar,
originando corrientes transversales y torbellinos, este movimiento del
fluido se conoce como Flujo Turbulento.
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1.1. OBJETIVOS
1.1 Objetivo general
Observar las características de los regímenes de flujo laminar y
turbulento en un conducto, así como la transición entre ambos,
reproduciendo el experimento de Osborne Reynolds.
1.2 Objetivos específicos
- Determinar cualitativamente el tipo de flujo de un fluido y
compararlo con los respectivos valores teóricos.
- Hallar el número de Reynolds para cada caudal.
2.2. FUNDAMENTO TEÓRICO
Cuando un líquido fluye en un tubo y su velocidad es baja, fluye
en líneas paralelas a lo largo del eje del tubo; a este régimen se le
conoce como flujo laminar. Conforme aumenta la velocidad y se
alcanza la llamada velocidad crítica, el flujo se dispersa hasta que
adquiere un movimiento de torbellino en el que se forman corrientes
cruzadas y remolinos; a este régimen se le conoce como flujo
turbulento (ver la Figura 2.1). El paso de régimen laminar a turbulento
no es inmediato, sino que existe un comportamiento intermedio
indefinido que se conoce como régimen de transición.
Figura 2.1. Regímenes de flujo.
Si se inyecta una corriente muy fina de algún líquido colorido en
una tubería transparente que contiene otro fluido incoloro, se pueden
observar los diversos comportamientos del líquido conforme varía la
velocidad (véase la Figura 2.2).
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Cuando el fluido se encuentra dentro del régimen laminar
(velocidades bajas), el colorante aparece como una línea
perfectamente definida (Figura 2.1), cuando se encuentra dentro de
la zona de transición (velocidades medias), el colorante se va
dispersando a lo largo de la tubería (Figura 2.2) y cuando se
encuentra en el régimen turbulento (velocidades altas) el colorante se
difunde a través de toda la corriente (Figura 2.3).
Las curvas típicas de la distribución de velocidades a través de
tuberías se muestran en la Figura 2.3.
Para el flujo laminar, la curva de velocidad en relación con la
distancia de las paredes es una parábola y la velocidad promedio es
exactamente la mitad de la velocidad máxima. Para el flujo turbulento
la curva de distribución de velocidades es más plana (tipo pistón) y el
mayor cambio de velocidades ocurre en la zona más cercana a la
pared.
Figura 2.2. Comportamiento del líquido a diferentes
velocidades.
Figura 2.3. Distribuciones típicas de velocidad.
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Los diferentes regímenes de flujo y la asignación de valores
numéricos de cada uno fueron reportados por primera vez por
Osborne Reynolds en 1883.
Reynolds observó que el tipo de flujo adquirido por un líquido
que fluye dentro de una tubería depende de la velocidad del líquido,
el diámetro de la tubería y de algunas propiedades físicas del fluido.
Así, el número de Reynolds es un número adimensional que
relaciona las propiedades físicas del fluido, su velocidad y la
geometría del ducto por el que fluye y está dado por:
donde:
Re = Número de Reynolds
D = Diámetro del ducto
v = Velocidad promedio del líquido
= Densidad del líquido
= Viscosidad del líquido
= Viscosidad cinemática del líquido
Generalmente cuando el número de Reynolds se encuentra por
debajo de 2300 se sabe que el flujo es laminar, el intervalo entre
2300 y 4000 se considera como flujo de transición y para valores
mayores de 4000 se considera como flujo turbulento. Este grupo
adimensional es uno de los parámetros más utilizados en los diversos
campos de la Ingeniería Civil en los que se presentan fluidos en
movimiento.
3. METODOLOGÍA
3.1 Visualización de los diferentes regímenes de flujo.
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La primera parte de la práctica consiste en la visualización de
los diferentes regímenes de flujo que experimenta el agua que circula
por el tubo de vidrio del dispositivo experimental FME 06.
Para ello, es necesario establecer una velocidad de circulación
del agua en el experimento, o lo que es lo mismo establecer un
caudal de agua circulante. Se dispone de una válvula cuya mayor o
menor apertura permite controlar el caudal de agua circulante por la
instalación. Debe comenzarse con un caudal lo más bajo posible y se
va aumentando el caudal poco a poco. Para cada uno de los caudales,
cuando el flujo se estabilice, se inyecta el colorante del depósito
pequeño en el depósito grande a través de la boquilla, y se observan
en el tubo de vidrio las formas que se desarrollan.
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Fig. 3.1. Equipo FME 06: Demostración de Osborne
Reynolds.
3.2 Determinación del número de Reynolds
Mediante el termómetro introducido en el depósito lleno de
agua, se determinará la temperatura del agua que circula por la
instalación, y suponiendo que se mantiene constante, se establecerá
la viscosidad cinemática del agua que se empleará a lo largo del
experimento, a partir de los datos de la Tabla I en Anexos.
Para cada caudal de agua circulante por la instalación deberá
determinarse la velocidad del agua en el tubo de vidrio, teniendo en
cuenta que el diámetro del mismo es de 10 mm. A continuación se
obtendrá el número de Reynolds. Del valor obtenido para el número
de Reynolds, podrá indicarse el régimen de flujo que correspondería
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al caudal circulante. Se habrá de verificar que coincide con el régimen
observado en el ensayo, según las propiedades mostradas por el hilo
de colorante.
3.3 Procedimiento experimental
a. Llenar el depósito con colorante. Colocar el aparato sobre el
canal del Banco Hidráulico y conectar su tubería de
alimentación a la impulsión del Banco.
b. Bajar el inyector. Mediante el tornillo, hasta colocarlo a nivel de
la tobera de entrada al tubo de visualización de flujo, cerrar la
válvula de control de flujo.
c. El tubo de salida del rebosadero deberá introducirse en el
aliviadero del Banco. Poner en marcha la bomba y llenar
lentamente el depósito hasta alcanzar el nivel del rebosadero;
después cerrar la válvula de control del Banco hidráulico y la
de la bomba.
d. Abrir y cerrar la válvula de control de flujo, para purgar el tubo
de visualización. Dejar que se remanse completamente el
líquido en el aparato dejando pasar a lo menos diez minutos
antes de proceder al experimento.
e. Medir la temperatura del agua. Poner en marcha la bomba y
abrir cuidadosamente la válvula de control del Banco hasta que
el agua salga por el rebosadero. Abrir parcialmente la válvula
de control y ajustar la válvula de inyección de colorante hasta
conseguir una corriente lenta con colorante.
f. Mientras el flujo del agua sea lento, el colorante traza una
línea en el centro del tubo de visualización. Incrementando el
flujo, abriendo progresivamente la válvula de control, Irán
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apareciendo alteraciones hasta que finalmente el colorante se
dispersa completamente en el agua.
g. Para observar el perfil de la distribución de velocidades el
depósito estará necesariamente abierto permitiendo que el
colorante caiga a gota en el tubo de visualización. Cuando la
válvula de control está abierta, en régimen laminar la gota
adopta un perfil de paraboloide.
4. RESULTADOS EXPERIMENTALES
Diámetro (m)
Área(m^2)
Viscosidad(m^2/s)
0.01 0.0000785 1.033*10^-6
Régimen visualizado
Volumende agua (ml)
Tiempo(s)
Caudal(m^3/s)
Velocidad(m/s)
Número deReynolds
Tipode flujo
Laminar 160 33.8 0.0000047 0.06 583.46 LaminarTransicional 240 14.1 0.0000170 0.22 2097.98 LaminarTransicional 422 12.5 0.0000338 0.43 4161.14 TurbulentoTurbulento 510 9.3 0.0000548 0.70 6759.23 TurbulentoTurbulento 685 8.5 0.0000806 1.03 9933.02 TurbulentoTurbulento 800 7.4 0.0001081 1.38 13325.03 TurbulentoTurbulento 770 6 0.0001283 1.63 15817.92 TurbulentoTurbulento 585 4.2 0.0001393 1.77 17167.87 Turbulento
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0.0000000 0.0000500 0.0001000 0.00015000.00
2000.00
4000.00
6000.00
8000.00
10000.00
12000.00
14000.00
16000.00
18000.00
20000.00
583.462097.98
4161.14
6759.23
9933.02
13325.03
15817.9217167.87
Caudal vs Reynolds
Caudal vs ReynoldsLinear (Caudal vs Reynolds)
Caudal (Q)
Núm
ero
de R
eyno
lds (
Re)
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5. CONCLUSIONES
Una vez analizados los resultados es posible afirmar que son
satisfactorios, puesto que en la mayoría de los casos, el régimen de
flujo obtenido experimentalmente coincide con el esperado. Incluso
en un par de ocasiones fue posible obtener valores cercanos a la
frontera. Cabe recordar que durante la experimentación se fijó un
flujo al azar, que debía estar dentro del régimen deseado.
Los resultados obtenidos coinciden con las observaciones
realizadas durante la práctica, donde una delgada línea de
permanganato de potasio en el tubo denotaba un flujo laminar,
mientras que vórtices de permanganato de potasio indicaban un
régimen turbulento.
Como era de esperarse, al aumentar la velocidad de flujo se
pasa de un régimen laminar a uno turbulento, y como consecuencia
aumenta el número de Reynolds y se observa la formación de
vórtices.
La comprensión de los efectos de flujo en el régimen de flujo es
sumamente importante. El número de Reynolds es quizás el número
adimensional más utilizado en cálculos de ingeniería y su
comprensión adecuada resulta fundamental.
Los objetivos fueron satisfechos, pues no solo se obtuvieron
resultados adecuados, sino que se comprendió adecuadamente la
relación de la velocidad con el régimen de flujo y los efectos en el
número de Reynolds.
Finalmente, cabe resaltar que la variación en la visualización del
flujo durante la práctica y los valores teóricos correspondientes, son
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debido a los errores experimentales presentes en todo ensayo del
laboratorio.
BIBLIOGRAFÍA Y LINKOGRAFÍA
Universidad Tecnológica Metropolitana. Facultad de Ingeniería.
Departamento de Mecánica. Guías de Laboratorio, Mecánica de
Fluidos. Santiago, Marzo 2008.
Universidad de Oviedo. Departamento de Energía. Área de
Mecánica de Fluidos. Prácticas de Mecánica de Fluidos. España,
2005.
Universidad Iberoamericana. Laboratorio de Operaciones
Unitarias. Número de Reynolds. México, Marzo 2008.
Universidad Rafael Landivar. Facultad de Ingeniería. Laboratorio
de Mecánica de Fluidos. Demostración del experimento de
Osborne Reynolds. Guatemala, Enero 2003.
Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Escuela de
Civil. Departamento de Hidráulica y Sanitaria. Guía de
Laboratorio, Mecánica de Fluidos I. Mérida, Venezuela. Enero
2009.
EDIBON. Laboratorio Integrado de Mecánica de Fluidos Básica.
Edibon International.
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ANEXOS
Tabla I. Valores de la viscosidad cinemática del agua.
TEMPERATURA : T°C
VISCOSIDAD CINEMATICA:(m²/s)
0 1,792 x 10-6
2 1,763 x 10-6
4 1,567 x 10-6
5 1,520 x 10-6
6 1,473 x 10-6
8 1, 863 x 10-6
10 1, 308 x 10-6
12 1, 237 x 10-6
14 1, 172 x 10-6
15 1, 142 x 10-6
16 1, 112 x 10-6
18 1,059 x 10-6
20 1,007 x 10-6
22 0,960 x 10-6
24 0,917 x 10-6
25 0,897 x 10-6
26 0,876 x 10-6
28 0,839 x 10-6
30 0,804 x 10-6
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32 0,772 x 10-6
34 0,741 x 10-6
35 0,727 x 10-6
36 0,713 x 10-6
38 0,687 x 10-6
40 0,661 x 10-6
50 0,556 x 10-6
60 0,478 x 10-6
65 0,442 x 10-6
70 0,416 x 10-6
80 0,367 x 10-6
90 0,328 x 10-6
100 0,296 x 10-6
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