UNIVERSIDAD DEL BIO-BIO Departamento Ingeniería Civil

GUÍA LABORATORIO N° 2

APARATO REYNOLDS 1.- Objetivos: Evaluar, de acuerdo a diferentes condiciones de flujo: - El número de Reynolds - Observar y cuantificar el flujo laminar, de transición y turbulento. - Observar el perfil parabólico de velocidades 2.- Principios Teóricos: Cuando un líquido fluye cerca de un borde sólido, el tipo de flujo depende de la velocidad relativa al borde. Si la diferencia de velocidades entre el borde y el flujo es pequeña las capas se mueven suavemente unas sobre otras y el flujo se dice que es del tipo laminar. A medida que la velocidad aumenta se producen pequeñas perturbaciones que causan remolinos que mezclan las capas de flujo produciendo un patrón de flujo desordenado llamado turbulento. En condiciones intermedias se tiene un flujo de transición. Sea un fluido moviéndose a lo largo de una superficie fija. A una cierta distancia de la superficie, el flujo tiene una velocidad v, produciéndose una tensión de corte τ. La Ecuación 1 indica el valor de dicho esfuerzo para fluidos Newtonianos en régimen laminar. Esta relación varía en flujo turbulento.

dydv

μ=τ Ecuación 1

Donde: μ: viscosidad del fluido. ¿Qué determina si un flujo es laminar o turbulento? El fluido se encuentra sometido a fuerzas de inercias y fuerzas viscosas. Se sabe que las fuerzas son proporcionales a distintos parámetros como muestra la Ecuación 2.

DVFDVF

ascosvis

22inercia

μ∝

ρ∝ Ecuación 2

El número de Reynolds es un indicador sobre qué tipo de fuerzas son las que predominan (Ecuación 3).

ν=

μρ

=μ

ρ==

dvdvdvdv

FF

Re22

ascosvis

inercia Ecuación 3

Donde: V: Velocidad del flujo. D: Diámetro de la tubería. ν: Viscosidad cinemática. El número de Reynolds es adimensional por lo que se debe tener cuidado en el uso de unidades consistentes para cada variable de la expresión. Se ha demostrado que, independientemente del fluido utilizado, el tipo de régimen queda bien establecido según el valor del número de Reynolds tal como se ilustra en la Tabla 1. Tabla 1: Valores del número de Reynolds para distintos tipos de regímenes

Régimen Nº de Reynolds Laminar < 2200

Transición 2300-4000 Turbulento > 4000

Como ya se mencionó, el comportamiento de las distintas capas de fluido depende del tipo de régimen. Para poder visualizar este comportamiento se suele estudiar una línea de humo o de trayectoria, y, para facilitar la observación, se suele trabajar en régimen permanente. De esta manera, un régimen laminar está asociado a líneas de humo rectas y bien claras, mientras que un flujo turbulento presenta líneas de humo irregulares, que oscilan y se comportan desordenadamente. Una visualización intermedia corresponde a un régimen de transición.

3.- Descripción del Equipo: El equipo principal a utilizar es el mostrado en la figura, llamado: Osborne Reynolds Apparatus Armfield Engineering Limited A : Depósito de anilina B : Válvula de paso al inyector E. C : Campana de bocatoma D : Canicas de vidrio, estabilizadoras de flujo E : Entrada de Flujo F : Tubo de altura constante G : Tubo de vidrio, visualizador del régimen H : Descarga y regulador del flujo Otro son: Probeta Brand W-Germany 1000: 10 ml. Cronómetro Sargent Welch; Sens.: 0,2 seg. Termómetro Brannan; Rango: -20°C a 150°C Sens: 1°C. 4.- Procedimiento: - El equipo debe ponerse en su posición de funcionamiento, efectuando las conexiones de

abastecimiento y desagüe de fluido. - Llenar el depósito de colorante (anilina), con la válvula cerrada. Posicionar el inyector

justamente sobre la boca de la campaña. - Abrir la válvula del agua para llenar el estanque, manteniendo un nivel constante. - Abrir lentamente la válvula de desagüe junto con la del depósito de anilina, de manera que

se visualice una pequeña línea de tinta por el tubo transparente. - Proceder a abrir gradualmente la válvula de descarga midiendo a la vez el caudal por aforo

volumétrico hasta encontrar la velocidad crítica inferior y superior (en que el flujo comienza a ser de transición y en el cual comienza a ser turbulento).

- Repita el procedimiento comenzando desde la zona turbulenta. Indique el número de Reynolds obtenido cuando el régimen comienza a ser de transición y cuando comienza a ser laminar.

- Registrar la temperatura del agua y determinar el valor de la viscosidad cinemática en tablas.

- Para observar el perfil de velocidades detenga el flujo de agua y colorante y, sobre la boca de la campana, deposite una pequeña cantidad de colorante, luego abra lentamente la válvula de descarga de tal manera que la anilina circule lentamente por el tubo transparente.

5.- Informe: Con los datos obtenidos, realice el siguiente procedimiento de cálculo:

a) Cálculo del caudal: t

VolQ =

b) Cálculo de la velocidad: AQV =

Diámetro de tubo: 13mm c) Cálculo de la viscosidad: con la temperatura del agua ir a tablas viscosidad del agua vs

temperatura y calcular interpolando el valor de la viscosidad cinemática. (Indicar de donde se obtuvo el valor).

d) Cálculo del N° de Reynolds: ν

=DVRe

e) Cálculo del factor de fricción según corresponda:

Re64f = , si Re ⟨ 2.000 (Reg. laminar)

4/1Re316,0f = , si Re ⟩ 4.000 (Reg. turbulento)

- Grafique en escalas logarítmicas, para régimen laminar y turbulento, f v/s Re. - ¿Con qué número de Reynolds el flujo se “desordena” y comienza a ser turbulento? - ¿A qué número del Reynolds el flujo se “ordena” y comienza a ser laminar? - Comente los resultados obtenidos

ANEXO

TABLA DE MEDICIONES:

MEDICION VOLUMEN (m3)

TIEMPO (s)

OBSERVACIONES

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

t H20 = ?

TABLA DE RESULTADOS:

MEDICION Q (Caudal) (m3/s)

VELOCIDAD (m/s)

Re f REGIMEN

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Donde el régimen podrá ser: L = Laminar; t = Transición; T = Turbulento