Práctica 1 del Laboratorio de Mecánica de Fluidos 2

Visualización

Introducción

Los problemas fluidomecánicos se pueden visualizar. El flujo puede visualizarse de muchas maneras distintas, y observando las fotografías o diversas representaciones gráficas posibles se pueden conocer cualitativa y cuantitativamente aspectos del mismo.

Hay cuatro formas básicas de visualizar un flujo:

Una línea de corriente es aquella línea que en un instante dado es tangente al vector velocidad en todo punto.

Una senda es el camino seguido realmente por una partícula fluida. Una línea de traza es el lugar geométrico de las partículas que en instantes sucesivos

pasaron por un punto dado. Una línea fluida es un conjunto de partículas fluidas que en un instante dado forman una

línea.

La línea de corriente tiene un profundo sustrato matemático, mientras que las otras tres son más fáciles de generar experimentalmente. Nótese que la línea de corriente y la línea fluida están definidas para un instante dado, mientras que la senda y la línea de traza se forman con el transcurso del tiempo.

La realización de experimentos proporciona imágenes reveladoras de la estructura de un flujo. Entre los métodos de visualización se pueden citar los siguientes:

1) Inyección de humo, tinta o burbujas.2) Viruta o polvo sobre la superficie libre.3) Partículas trazadoras con flotabilidad neutra.4) Técnicas ópticas que detectan cambios en la densidad del fluido: método de las sombras

(shadowgraph), Schlieren e interferometría.5) Hilos o lanas sujetos a las superficies que limitan el flujo.6) Sustancias que se evaporan sobre superficies sólidas.7) Sustancias luminiscentes, aditivos o bioluminiscencia.8) Velocimetría de las imágenes de partículas (PIV, Particle Image Velocimetry).

Objetivos:

Observar las líneas de corriente y las líneas de traza.

Material:

Mesa de burbujas de hidrógeno Túnel de viento pequeño con humo de petróleo diáfano.

Descripción del experimento:

En la mesa de burbujas de hidrógeno, las cuales se forman separando agua en hidrógeno y oxígeno por electrólisis, se colocan diferentes obstáculos, como difusores, toberas y bancos de tubos para que las burbujas dibujen las líneas de traza de del fluido para ver su comportamiento.

En el túnel de viento se colocan diferentes perfiles aerodinámicos, como un Lamborgini y un camión de juguete, así como alerones y spoilers que se utilizan en diferentes vehículos.

Las técnicas ópticas shadowgraph y Schlieren, consisten en observar inhomogeneidades en medios transparentes, la técnica de shadowgraph históricamente se hacía utilizando aparatos en el exterior para aprovechar la luz solar, se busca que el sol subtienda un ángulo de medio grado o de 31 minutos de arco, con respecto a una superficie y justo en el origen del ángulo se encuentra el fluido de estudio, de la siguiente manera:

Mientras que para Schlieren describe el caso para el cual las inhomogeneidades se vuelven visibles para el ojo desnudo o algún tipo de cámara a través de la distorsión de un fondo.

Muchos pensarían que estos fenómenos no se observan en la naturaleza, pero en realidad los vemos con mucha frecuencia, como estos:

Conclusiones:

Las líneas de traza que observamos, nos dicen mucho acerca de los fenómenos que estudiamos, por ejemplo nos demuestra que hay un balance de energía en los sistemas, como las toberas, difusores y partes de arriba y abajo del ala de un avión, mientras que en un lugar aumenta la velocidad y disminuye la presión, en otro lugar disminuirá la velocidad y aumentará la presión, que es lo que en la teoría nos dice la ecuación de Bernoulli y por eso es importante visualizar los fenómenos, para comprobar que los modelos matemáticos sean buenos, o incluso utilizar la visualización de un fenómeno en caso de la carencia de un modelo matemático, como es el caso de la cavitación.

Bibliografía:

Frank M. White, Mecánica de Fluidos, 6ta edición.

http://www.mne.psu.edu/psgdl/psfvip2.pap.copyrightedimages.pdf

Manuel Alejandro Tapia Romero

Práctica 1 del Laboratorio de Mecánica de Fluidos

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