UNIVERSIDAD DE LA COSTADEPARTAMENTO DE INGENIERIA

CIVIL Y AMBIENTAL ÁREA DE LABORATORIO

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FACULTAD DE INGENIERÍA

VISUALIZACION DE FLUJO EN CANALES ABIERTOS- REYNOLDSRosa Joly, Geiner Gutiérrez, Iván Estrada, José MercadoLaboratorio de Mecánica de Fluidos, Facultad de Ingeniería, Universidad de la Costa, Barranquilla, Colombia

RESUMENReynolds estudió las características de flujo de los fluidos inyectando un trazador dentro de un líquido que fluía por una tubería. A velocidades bajas del líquido, el trazador se mueve linealmente en la dirección axial. Sin embargo a mayores velocidades, las líneas del flujo del fluido se desorganizan y el trazador se dispersa rápidamente después de su inyección en el líquido. El flujo lineal se denomina Laminar y el flujo errático obtenido a mayores velocidades del líquido se denomina Turbulento.

ABSTRACTReynolds studied the characteristics of fluid flow by injecting a tracer into a fluid flowing through a pipe. At low liquid velocities, the tracer moves linearly in the axial direction. However at higher speeds, the fluid flow lines are disrupted and the tracer disperses quickly after injection into the liquid. The linear flow is called laminar flow and erratic obtained at higher speeds Turbulent fluid is known.

PALABRAS CLAVES: régimen de flujo, flujo laminar, flujo turbulento, flujo transitorio.

KEYWORDS: flow regime, laminar flow, turbulent flow , transient flow

1. IntroducciónEl número de Reynolds (Re) es un número adimensional utilizado en mecánica de fluidos, diseño de reactores y fenómenos de transporte para caracterizar el movimiento de un fluido.La práctica de visualización de flujo en canales abiertos- Reynolds es una práctica muy importante para las instalaciones civiles (acueductos, oleoductos, etc.) debido a que indica la importancia relativa de la tendencia del flujo hacia un régimen turbulento respecto de uno laminar y la posición relativa de este estado dentro de una longitud determinada.El poder estudiar visualización de flujo en canales abierto de una sustancia nos ayuda a determinar el tipo de régimen de flujo a través de un canal de visualización, determinar el número de Reynolds, realizar el cálculo del radio hidráulico en el canal de visualización y concluir todas las anteriores.

2. Montaje experimentalPrimero se toma una probeta con una capacidad de 1000ml de la cual se procede a tomar el tiempo que se demora en llenar cierta cantidad de liquido (agua)

Fig 1. Probeta experimental

Luego se procede hallar caudal en determinado volumen de agua con la ayuda también de un cronometro.

Fig 2. Cronometro

Después con la ayuda de una regla se mide la altura de agua que se presenta en el canal de sección transversal.

Fig 6. ReglaY con la ayuda de un cronometro se mide el tiempo en el que en balín demora en caer a la superficie más baja de la probeta.

Este procedimiento se realiza 5 veces con diferente volumen, diferentes caudales y sus respectivas alturas para cada una de las experiencias.

3. Datos obtenidos en el laboratorio

Muestras de tiempos, alturas obtenidas en el laboratorio para volúmenes determinados de todos los grupos.

Grupo Vol(ml) t(s) h(mm) b(mm)1 200 7,49 82 16,12 300 48,28 76 16,13 500 12,42 95 16,14 940 12,38 79 16,15 1000 5,2 105 16,1

4. Resultados

Grupo Vol(l) t(s) h(m) b(m)1 0,2 7,49 0,082 0,01612 0,3 48,28 0,076 0,01613 0,5 12,42 0,095 0,01614 0,94 12,38 0,079 0,01615 1 5,2 0,105 0,0161

A (m²) PM(m)

Rh (m)

V (m/s)

Q (l/s)

ϑ (pa.s)

Ρ (Kg/m³) Re

Tipo de flujo

0,00132 0,1801 0,0073 20,2259 0,0267 1,0105 1000 146,7 laminar

0,00122 0,1681 0,0073 5,07826 0,00621 1,0105 1000 36,58 laminar

0,00153 0,2061 0,0074 26,3208 0,04026 1,0105 1000 193,3 laminar

0,00127 0,1741 0,0073 59,6972 0,07593 1,0105 1000 431,6 laminar

0,00169 0,2261 0,0075 113,758 0,19231 1,0105 1000 841,7 transitorio

Con la siguiente formula se procedió a hallar las respectivas Reynolds.

Reynolds (re) = ρv Lcμ

Donde:

ρ : Densidad V : Velocidad Lc: Longitud caracteristica μ : Viscosidad dinámica

Lc= APM

PM=2h+b

A=bh

V=QA

Condiciones:

Re< 500 Régimen Laminar

500< Re < 2000 Régimen Transición Re

> 2000 Régimen Turbulento

Grupo 1

Grupo 2.

Grupo 3.

Grupo 4.

Grupo 5.

0.00725 0.0073 0.00735 0.0074 0.00745 0.00750

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Re vs Rh

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.250

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Q vs Re

5. ConclusionesAbarcando la investigación, el procedimiento, los cálculos y análisis realizados se establecen las siguientes afirmaciones:El caudal es proporcional al Radio Hidráulico y al Régimen de flujo, mientras mayor sea el caudal, la profundidad del canal será mayor y por tanto el radio hidráulico, y consecuentemente el flujo será transitorio o turbulento. Comparando el procedimiento y la visualización de las líneas del canal, correspondieron al análisis adimensional de Reynolds. Como análisis final, observamos qué, cada uno de los régimen, corresponden a su respectivo numero de Reynolds, dado esto al realizar una comparación visual y teórica entre, la fotografías y los datos obtenidos en el laboratorio.

6. Cuestionario

¿Discutir las razones por la cuales en instalaciones civiles (acueductos, oleoductos, etc) es raro que se presente régimen laminar. Dar un ejemplo de instalaciones industriales en la cuales se podría esperar régimen laminar.

Gracias a la teoría dada en clase y a la respectivas explicaciones y guías brindadas por el docente, el tema de régimen, y sabiendo cómo identificar un flujo laminar, transitorio y turbulento, es prudente preguntarse porque en instalaciones civiles (acueductos, oleoductos, etc.) es raro que se presente régimen laminar, y esto es debido a que en estas se presentan diversos accesorios que lo que buscan es mejorar el funcionamiento a través de la instalación, lo que en muchos casos hace que el fluido sea en vez de laminar, sea turbulento. Ejemplo de estos accesorios son las turbinas, las bomba, que le dan la transformación de la energía del caudal para transfórmala en energía eléctricas en los caso de los

oleoductos y presas. Una de las técnicas básicas de protección biológica consiste en la filtración del aire para eliminar partículas potencialmente patógenas para el hombre o contaminantes para el material manipulado o el ambiente. A este fin se utilizan filtros HEPA que se instalan obras civiles (salas blancas), módulos (zonas limpias) o aparatos cabinas o cámaras). A esta tecnología se la denomina genéricamente "Flujo Laminar".

7. Referencias http://www.ehu.eus/rperez/Fisicabio/

docs/densidad_visco.pdf https://www.google.com.co/search?

q=formula+de+viscosidad&espv=2&biw=1366&bih=667&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwji2Ybp1KXMAhVLKCYKHRt0AuAQ_AUIBigB#imgrc=Eqci5km6dJcMbM%3A

8. Anexos

A(m²) PM(m) Rh(m) v(m/s) Q(l/s) ϑ (pa.s) ρ(Kg/m³) Re Tipo de flujo

0,00132 0,1801 0,007330372 20,22592766 0,02670227 1,0105 1000 146,7229828 laminar

0,001224 0,1681 0,007279001 5,078255236 0,006213753 1,0105 1000 36,58052735 laminar

0,00153 0,2061 0,007421155 26,32079042 0,040257649 1,0105 1000 193,3009992 laminar

0,001272 0,1741 0,007305572 59,69723847 0,075928918 1,0105 1000 431,5907418 laminar

0,001691 0,2261 0,00747678 113,7578777 0,192307692 1,0105 1000 841,7047464 transitorio

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Ecuación de BernoulliRosa Joly, Geiner Gutiérrez, Iván Estrada, José MercadoLaboratorio de Mecánica de Fluidos, Facultad de Ingeniería, Universidad de la Costa, Barranquilla, Colombia

RESUMEN

En este presente informe analizaremos la Ecuación de Bernoulli experimentalmente con el objetivo de comparar los datos obtenidos y analizarlo con los teóricos. Para el desarrollo de la experiencia fue necesario un equipo F1-15 (Bernoulli), un banco hidráulico que nos proporcionó las alturas del fluido. Para el cálculo de los datos obtenidos en la experiencia serán graficados los teóricos y los experimentales para verificar su veracidad.

ABSTRACT

this report we present the Bernoulli equation experimentally in order to compare and analyze data obtained with the theoretical. To develop the necessary experience was a team F1-15 (Bernoulli), a hydraulic bank that provided the heights of the fluid. For the calculation of the data will be plotted on the experience theoretical and experimental to verify its accuracy

PALABRAS CLAVES:

Bernoulli, banco hidráulico, altura, teórico.

KEYWORDS:

Bernoulli, hydraulic bench, height, theoretical.

1. Introducción

La ecuación de Bernoulli. Es de los principios fundamentales de la hidrodinámica y son innumerables los problemas prácticos en los

cuales se puede aplicar esta ecuación y obtener resultados aproximados.

En los problemas o aplicaciones donde se puede aplicar es en la determinación de la

altura donde se instale un sistema de bomba hidráulica, de igual manera para determinar el tubo de aspiración de un turbina.

La medición de la altura dinámica y estática, representa uno de los factores críticos a tener en cuenta en el diseño de las turbo maquinas descritas anteriormente por tanto estudiar las alturas utilizando un arreglo de tubo Venturi resulta muy práctico para la recolección y comparación de datos

2. Montaje experimental

Matariles:

• Banco hidráulico

• Tubo de Venturi

• cronometro

PARA EL MONTAJE DEL EQUIPO:

• Ubicar el equipo de Bernoulli sobre el banco hidráulico teniendo cuidado de colocar el desagüe (1) sobre el tanque de medición de volumen.

• Nivelar el equipo utilizando el nivel de burbuja (2). Esto será posible por el ajuste

de los tornillos que sirven de base al aparato. Estará nivelado cuando la burbuja coincida con el aro del nivel de burbuja.

• Verificar que el banco hidráulico se encuentre apagado.

• Conectar el equipo al banco hidráulico.

Al cerrar completamente la salida del fluido el mismo deberá encontrarse a la misma altura para cada columna de líquido.

3. Datos obtenidos en el laboratorio

Abrir suavemente la válvula del equipo.

Tomar las lecturas reflejadas en la tabla para los manómetros 1 al 6 (7).

Medir el caudal de agua que circula por el sistema en ese momento. Recordar que es recomendable hacer este procedimiento por triplicado.

Lecturas piezométricasLectura h1

(m)h2(m)

h3 (m)

h4 (m)

h5 (m)

1 0,260 0,251 0,240 0,233 0,2242 0,150 0,0148 0,122 0,110 0,0763 0,176 0,0177 0,156 0,140 0,1154 0,246 0,151 0,254 0,222 0,2015 0,170 0,100 0,080 0,064 0,029

Tabla #1 datos del laboratorio

Procedemos a calcular el área transversal, que está dado por la siguiente formula correspondiente a un área circular:

Areatransversal=π D2

4

Para h1:

A=π (0.025m)2

4=0.00049m2

Para h5:

A=π (0.010m)2

4=7.85×10−5m2

Lectura 1:

Caudal real

Qreal=Vt

Qreal=0,0006m3

10 s

Qreal=6×10−5m3/s

Caudal teórico

Qteo=√ 2g (h1−h5 )(A12 A5

2)

(A12−A5

2)

Qteo=√ 2(9.8 ms2 )( 0.26m−0.224m )(4.9×10−4m2)2(7.85×10−5m2)2

(( 4.9×10−4m2 )2−(7.85×10−5m2)2)

Qteo=6.636×10−5m3/s

Coeficiente de descarga

Cd=QteoQreal

Cd=6.636×10−5m3/ s

6×10−5m3/ s

Cd=1.106

Lectura 2:

Qreal=9.803×10−5m3/s

Qteo=9.515×10−5m3/s

Cd=9.515×10−5m3/ s9.803×10−5m3/ s

Cd=0,97

Lectura 3

Qreal=8.849×10−5m3/s

Qteo=5.068×10−5m3/ s

Cd=5.068×10−5m3/s8.849×10−5m3/s

Cd=0,57

Lectura 4

Qreal=8.072×10−5m3/s

Qteo=7.419 .515×10−5m3/s

Cd=7.419×10−5m3/s8.072×10−5m3/s

Cd=0,91

Lectura 5

Qreal=1.001×10−4m3/s

Qteo=1.313×10−4m3/s

Cd=1.313×10−4m3 /s1.001×10−4m3/ s

Cd=1.312

4. Resultados

Lectura h1 (m) h5 (m) Qreal (m3/s) Qteo (m3/s) Cd1 0,26 0,224 6,00E-05 6,64E-05 1,1062 0,15 0,076 9,80E-05 9,52E-05 0,973 0,176 0,115 8,85E-05 5,07E-05 0,574 0,246 0,201 8,07E-05 7,42E-05 0,915 0,17 0,029 1,00E-04 1,31E-04 1,312

Graficas

Grafica #1 Qreal vs Qteorica

Grafica #2 Cd Vs Qteo

0.430826470588235

0.692689655172414

0.693427450980392

0.930917647058823

0.614827118644068

0.68267027027027

0.66287323943662

0.539269565217391

0.59904

0.6996264705882350.00E+005.00E-061.00E-051.50E-052.00E-052.50E-053.00E-053.50E-05

Cd VS Qteo

5. Preguntas

a. ¿Cuáles son las fuentes de error de la práctica desarrollada?

Podemos encontrar fuentes de errores al momento de tomar datos experimentalmente de factor humanos:

Que el equipo no es totalmente nivelado

La mala toma del tiempo al medir los caudales

La mala toma de las medidas con la regla

Alguna manguera este rota

b. ¿Qué efecto tendría sobre el experimento y sus resultados si se desarrolla con un equipo que no esté instalado en posición horizontal?

Una mala instalación del equipo afectaría la toma de altura y esto a su vez cambiaría el Qteorico y el Cd .

c. Investigue otros métodos y/o dispositivos empleados para la medición de caudal en conductos cerrados.

MEDIDOR DE ORIFICIO: El medidor de Orificio es un elemento más simple, consiste en un agujero cortado en el centro de una placa intercalada en la tubería. El paso del fluido a través del orificio, cuya área es constante y menor que la sección transversal del conducto cerrado, se realiza con un aumento apreciable de la velocidad (energía cinética) a expensa de una disminución de la presión estática (caída de presión). Por esta razón se le clasifica como un medidor de área constante y

caída de presión variable.

TUBO DE PITOT: Es uno de los medidores más exactos para medir la velocidad de un fluido dentro de una tubería. El equipo consta de un tubo cuya abertura está dirigida agua arriba , de modo que el fluido penetre dentro de ésta y suba hasta que la presión aumente lo suficiente dentro del mismo y equilibre el impacto producido por la velocidad. El Tubo de Pitot mide las presiones dinámicas y con ésta se puede encontrar la velocidad del fluido, hay que anotar que con este equipo se puede verificar la variación de la velocidad del fluido con respecto al radio de la tubería (perfil de velocidad del fluido dentro de la tubería).

d. ¿A qué se debe que varíe Cd?

El coeficiente de descarga varía de acuerdo a la carga y al tamaño del orificio, es decir también varía

dependiendo del volumen de agua que va saliendo, es decir este coeficiente de descarga esa relacionado directamente al caudal dependiendo del caudal y del tamaño de orificio por al cual sale el agua, es lo que causa la varianza de Cd.

6. Conclusiones

En la experiencia realizada se logró calcular los valores teóricos y reales de caudales analizados en el laboratorio de mecánica de fluidos. Analizando nuestros resultados podemos decir que los errores obtenidos se deben a los factores que intervienen en la práctica y que son relevantes a la hora de comparar la información.

7. REFERENCIAS- Streeter Víctor L. Mecánica de los fluidos. Tercera edición. Editorial Mc graw Hill.(Capítulo 6, algunas aplicaciones de la ecuación de Bernoulli, Instrumentación de medida de velocidad. Instrumentación de medida de caudal en flujo cerrado)