reporte laboratorio fluidos 2 1

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Reporte de laboratorio de la materia Mecánica de Fluidos II sobre el Flujo laminar y el Flujo Turbulento.

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  • 1

    Laboratorio de Mecnica de Fluidos II

    Parte A: Gradiente de presin y longitud de entrada. Parte B: Perfil de Velocidad

    Fecha de entrega: 06 de Noviembre de 2014

    Morocho Lpez Manuel Enrique

    Facultad de Ingeniera en Mecnica y Ciencias de la Produccin (FIMCP)

    Escuela Superior Politcnica del Litoral (ESPOL)

    Guayaquil - Ecuador

    memoroch@espol.edu.ec

    Resumen

    En esta prctica de laboratorio se busc observar y entender ciertas propiedades de los flujos de fluidos en

    regmenes Laminar y Turbulento: Primero se observ la descarga del flujo a la salida de la tubera para

    ambos regmenes y se le dio razn al hecho de cmo descargaron estos fluidos basndonos en la teora de

    Capa Lmite y Flujo Laminar y Turbulento: se entendi que el flujo en rgimen laminar se desprende en

    dos chorros por la distribucin de Velocidad por capas en el fluido y que sale como un solo chorro en el

    rgimen turbulento porque la inercia del fluido incide ms que la viscosidad misma de este. Despus se

    busc notar como vara la cada de presin para ambos regmenes y se obtuvo experimentalmente que la

    cada de presin en el rgimen Laminar fue mayor que la cada de presin en el rgimen Turbulento, lo

    cual tericamente es imposible ya que se entendi que el fluido pierde ms energa en el rgimen turbulento

    por el efecto de la cascada de energa y por lo cual no se pudo responder porqu se dio este hecho. Luego de ello se comprob la validez de la Ec. 2 para Rgimen Laminar ya que se obtuvo una incertidumbre

    relativa de 19,22% con respecto a los valores de Longitud de entrada terico y experimental. Por ltimo se

    determin el Perfil de Velocidad del flujo para ambos regmenes y se logr entender que su forma est

    determinada en s por las fuerzas que ms inciden sobre el flujo, ya sea estas las viscosas o las inerciales.

    Palabras clave: cada de presin, capa Lmite, cascada de energa, descarga, inercia, Laminar, Longitud de

    entrada, Turbulento, viscosidad.

    Abstract

    In this lab practice, we tried to observe and understand certain properties of fluid flows in Laminar and

    Turbulent Regimes: First discharge flow at the outlet of the pipe for both regimens was observed and given

    reason to the fact how they downloaded these fluids based on the theory of boundary layer and laminar

    and turbulent flow: it was understood that the flow in laminar regime emerges in two jets by the distribution

    of speed by layers; we understood that the fluid that comes out as a single jet it was in the turbulent regime

    because fluid inertia affected the flow more than viscosity did. After notice and sought varies the pressure

    drop for both regimens and experimentally obtained that the pressure drop in the laminar regime was

    greater than the pressure drop in the Turbulent regime, which is theoretically impossible because it was

    understood that the fluid lose more energy in the turbulent regime by the effect of the "energy cascade"

    and therefore we couldnt answer why this event occurred. After that the validity of Eq. 2 for laminar flow was found with a relative uncertainty of 19.22% from experimental values with respect to theoretical values

    of pilot length input is obtained. Finally, we determined the flow velocity profile for both regimens and we

    understood that their way is itself is determined by the forces that most influence on the flow, whether

    these viscous or inertial.

    Keywords: pressure drop, Boundary layer, energy cascade, download, inertia, Laminating, entry length,

    Turbulence, viscosity.

  • 2

    MARCO TERICO:

    Las teoras que buscan determinar el flujo de

    calor y el gradiente de presin en flujos de

    fluidos en tuberas, se basan en la teora de la

    capa lmite y en la caracterizacin del flujo

    mediante el rgimen del mismo [1]: Esto hace que para aplicaciones como la disipacin de

    calor en una tubera, [2] el clculo de la energa de bombeo necesaria para mantener el

    flujo de un fluido en una tubera, el clculo de

    las prdidas para un determinado flujo de un

    fluido en un ducto de una geometra

    especificada y muchas otras aplicaciones, sea

    necesario el entendimiento, al menos bsico, de

    la teora de la capa lmite y las propiedades del

    flujo segn un rgimen en particular.

    Capa Lmite, variaciones del gradiente de

    presin, del esfuerzo de corte y Longitud

    de entrada para tuberas.

    [1] Cuando se tiene el flujo de un fluido sobre una superficie, por efectos de su viscosidad, se

    desarrollar una zona en el flujo adyacente a la

    superficie conocida como capa lmite, cuyo

    espesor vendr dado por toda la zona donde la velocidad del fluido vara desde que sta tiene el

    valor de la velocidad con que se mueve la

    superficie (recordando la condicin de no

    deslizamiento por la cual el fluido justamente

    por encima de la superficie no desliza con

    respecto a sta) hasta que alcanza el valor de 0,99

    veces el valor de la velocidad con la que se mueve

    en el flujo libre (lejos y aguas arriba de la

    superficie).

    Esta capa lmite, la cual es conocida y

    considerable por el hecho de que en esta zona los

    efectos de la viscosidad son muy importantes y

    para nada despreciables, incide en el

    comportamiento de ciertos parmetros del flujo,

    claro est adems de la velocidad, que por

    definicin de la capa lmite vara en todo el

    espesor de la misma: estos parmetros son por

    ejemplo el gradiente de presin, la

    transferencia de calor y el esfuerzo de corte

    (tangencial) en la superficie: Si se tiene por

    ejemplo el flujo de un fluido en una tubera, que

    es el caso que se estudia en este reporte, la capa

    lmite en el flujo crece desde que el fluido entra

    en el conducto hasta que se intercepta con la capa

    lmite de la otra superficie en la tubera al frente

    suyo, momento en el cual en todo el flujo los

    efectos de la viscosidad son para nada

    despreciables ya que la capa lmite se ha

    desarrollado a lo largo de todo el flujo del fluido

    y donde se denota al flujo como flujo

    completamente desarrollado: Es as que, antes

    de que esto ocurra (lo cual se da a una cierta

    longitud de entrada Le o XL, desde que el fluido

    entra a la tubera hasta que la capa lmite se

    desarrolla por completo en todo el flujo) se

    pueden diferenciar en el flujo dos zonas: una zona

    donde los efectos de la viscosidad no son

    importantes, como lo es en la zona donde el flujo

    mantiene sus parmetros antes de entrar, que se

    conoce como ncleo central, y la zona hasta

    donde la capa lmite se ha desarrollado, como se

    puede observar en la figura:

    Fig. 1: Desarrollo de la capa lmite para un flujo

    en rgimen laminar

    A medida que la capa lmite se desarrolla en el

    flujo, el esfuerzo de corte y el gradiente de

    presin varan hasta que el flujo se desarrolla

    por completo, ya que ambos, al depender del

    gradiente de velocidad, varan hasta que este se

    vuelve constante, que es justamente lo que sucede

    cuando el flujo alcanza el carcter de

    completamente desarrollado: en donde el perfil

    de velocidad ya no cambia a lo largo de todo el

    flujo desde la Longitud de entrada y aguas abajo

    de sta.

    Regmenes de flujo. El flujo, segn los parmetros del mismo, puede

    describir un movimiento ordenado del fluido, es

    decir en donde se aprecia un movimiento de

    fluido por capas paralelas a la direccin del

    flujo, uno completamente desordenado

    caracterizado por el movimiento global del

    fluido en forma de mezcla, es decir en donde ya

    no se puede observar el movimiento del fluido

    como el movimiento de capas paralelas de fluido,

    sino ms bien como el movimiento de un todo en

  • 3

    donde hasta se pueden apreciar la formacin de

    vrtices en el flujo; y un movimiento de

    transicin conformado por la combinacin de las

    caractersticas de los movimientos antes descritos

    y considerado el tipo de movimiento necesario

    para llegar del primer tipo de movimiento de

    fluido al segundo descrito. Estos tipos de

    movimiento de fluido es lo que se conoce como

    regmenes de flujo, y, segn como hemos

    descrito los movimientos y en ese orden, estos se

    conocen como: rgimen laminar, rgimen

    turbulento y rgimen de transicin

    respectivamente.

    En el rgimen laminar, al describir un

    movimiento de fluido por capas, las propiedades

    del flujo se presentan distribuidas a lo largo de

    todo el flujo ya que cada capa de fluido se mueve

    de manera casi independiente (hay que recordar

    que la viscosidad del fluido est siempre presente

    y afecta el movimiento de todo el fluido) y

    mantiene un valor propio para cada propiedad de

    flujo, esto por ejemplo sucede con la Velocidad

    del fluido, como se puede apreciar en la Fig. 2.

    Fig. 2: Perfiles de Velocidad para flujos en

    rgimen laminar y turbulento en una tubera.

    En el rgimen turbulento sucede algo distinto:

    Al moverse el fluido casi como un todo (hay que

    recordar para este caso, ms all de la viscosidad

    del fluido, a la condicin de no deslizamiento),

    para una seccin normal al flujo, las propiedades

    adquieren un valor uniforme para todo el

    fluido que se encuentra inmediatamente

    separado de las porciones de fluido adyacentes

    a las superficies sobre l