fluidos lab

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


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,

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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.

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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

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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.

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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.

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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

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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

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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


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


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.

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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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