Prctica N 1:Visualizacin de Flujo de Fluidos 27 de Abril, 2015

Prctica N 1:Visualizacin de Flujo de Fluidos 27 de Abril, 2015

Instituto Politcnico NacionalEscuela Superior de Ingeniera Mecnica y ElctricaUnidad Ticomn

Ingeniera Aeronutica

Dinmica de Fluidos

Prctica N1Visualizacin de Flujo de Fluidos

Integrantes:Campa Garza Luis GuillermoCortez Rubio Luis FernandoCruz Hernndez Eduardo AlbertoCruz Hernndez RaymundoEspinosa Prez Guillermo4AM1

IntroduccinVisualizacin de flujo en la dinmica de fluidos se utiliza para hacer los patrones de flujo visible, con el fin de obtener una informacin cualitativa o cuantitativa sobre ellos.Visualizacin de flujo es el arte de hacer los patrones de flujo visible. La mayora de los lquidos son transparentes, por lo que los patrones de flujo son invisibles para nosotros sin algunos mtodos especiales para hacerlos visibles.Histricamente, estos mtodos incluyen mtodos experimentales, como dicen tinta se derrame en agua. Con la importancia de los modelos de computadoras en todo tipo de ingeniera cantidades crecientes y enormes de los datos obtenidos de los procesos de flujo de simulacin, mtodos puramente computacionales se han desarrollado.Mtodos de VisualizacinEn dinmica de fluidos experimentales, los flujos son visualizados por tres mtodos:Visualizacin del flujo superficial: Esta revela el flujo agiliza en el lmite de medida que se aproxima una superficie slida. Aceite de color aplicado a la superficie de un modelo de tnel de viento proporciona un ejemplo.Mtodos de rastreo de partculas: Las partculas, como el humo, se pueden aadir a un flujo de rastrear el movimiento del fluido. Podemos iluminar las partculas con una lmina de luz lser con el fin de visualizar una rebanada de un patrn de flujo de fluido complicado. Suponiendo que las partculas siguen fielmente las lneas de corriente del flujo, no podemos slo visualizar el flujo, sino tambin medir su velocidad mediante la imagen de velocimetra de partculas o partculas mtodos de seguimiento de velocimetra.Los mtodos pticos: Algunos flujos revelan sus patrones a travs de los cambios en el ndice de refraccin ptica. Estos son visualizados por mtodos pticos conocidos como el grafo de sombras, fotografa Schlieren, y la interferometra. Ms directamente, los colorantes se pueden aadir a los flujos para medir las concentraciones, por regla general el empleo de la atenuacin de la luz o de las tcnicas de fluorescencia inducida por lser.

En los flujos de visualizacin cientfica se visualizan con dos mtodos principales:Los mtodos de anlisis, que analizan un flujo determinado y muestran propiedades como Optimiza, streaklines y trayectorias. El flujo se puede administrar ya sea en una representacin finita o como una funcin suave.Mtodos de adveccin textura texturas "curva" de acuerdo con el flujo. A medida que la imagen es siempre finita, estos mtodos se visualizan aproximaciones de la corriente real.Tnel de VientoEs una herramienta de investigacin desarrollada para ayudar en el estudio de los efectos del movimiento del aire alrededor de objetos slidos. Con esta herramienta se simulan las condiciones que experimentar el objeto de la investigacin en una situacin real. En un tnel de viento, el objeto o modelo, permanece estacionario mientras se propulsa el paso de aire o gas alrededor de l. Se utiliza para estudiar los fenmenos que se manifiestan cuando el aire baa objetos como aviones, naves espaciales, misiles, automviles, edificios o puentes. El aire es soplado o aspirado a travs de un conducto equipado con rejillas estabilizadoras al comienzo para garantizar que el flujo se comporte de manera laminar o con obstculos u otros objetos si se desea que se comporte de forma turbulenta. Los modelos se montan para su estudio en un equipo llamado balanza a la cual estn adosados los sensores que brindan la informacin necesaria para calcular los coeficientes de sustentacin y resistencia, necesarios para conocer si es factible o no emplear el modelo en la vida real. Adems son empleados otros dispositivos para registrar la diferencia de presiones en la superficie del modelo en cuestin. Los resultados prcticos deben ser comparados con los resultados tericos, teniendo fundamentalmente en cuenta el Nmero de Reynolds y el Nmero Mach que constituyen los criterios de validacin en las pruebas con modelos a escala.Otras pruebas realizadas en tneles de vientoPueden unirse hebras a la superficie de estudio para detectar la direccin del flujo de aire y su velocidad relativa.Pueden inyectarse tintes o humo en el flujo de aire para observar el movimiento de las partculas, o sea, como se turbulizan al pasar por la superficie.Pueden insertarse sondas en puntos especficos del flujo de aire para medir la presin esttica y dinmica del aire.

DESARROLLO DE LA PRCTICA1.- Visualizacin de flujo por medio de inyeccin de humo

Figura 1.- Auto sedan y camioneta respectivamenteEn la figura 1 se aprecia que en el final del auto, el fluido empieza a perder la forma la cual llevaba, esto porque pierde la geometra del auto instantneamente y no tiene a que adherirse, de este modo pierde energa e intenta adherirse a lo que pueda del auto. Dependiendo de su geometra ser ms la adherencia como es el caso de la camioneta que al poseer un rea base mayor, el fluido puede adherirse ms fcilmente al objeto por el cual fluye.

Figura 2.- Esfera lisaEn la figura 2 se aprecia que las lneas de humo por las cuales la esfera atraviesa se ven afectadas por su rea base, en este caso un crculo, ya que el flujo no puede pasar libremente sino ms bien las corrientes chocan y quedan adheridas a la esfera obviamente mediante el paso se van alejando y perdiendo energa hasta que ya no se adhieran ms al objeto. Se observa que es intensa la adherencia del fluido y esto es porque como toda su geometra es curva, por debajo y por arriba, permite que el fluido se adhiera en ms partes al final del objeto.

Figura 3.- CilindroEn la figura 3 se aprecia un caso muy similar al de la esfera, en este caso un cilindro el cual presenta la misma rea base que la esfera, un crculo, pero sin embargo al ser un cilindro hay menor adherencia del fluido con el objeto ya que en un plano en direccin al fluido es un crculo pero en un plano perpendicular al fluido es un rectngulo por esto no pasa lo mismo que en la esfera ya que no todo el cuerpo permite fcilmente la adherencia del fluido pero en este caso slo si plano en direccin al fluido, pero a pesar de esto an as por ser circular su rea base, hay adherencia ya que el fluido pierde rpidamente la forma geomtrica del objeto.

Figura 4.- Pelota de golfEn la figura 4 se observa una pelota de golf en la cual el fluido es un tanto similar a la esfera lisa, pero, ya que como una pelota de golf tiene cierta forma geomtrica singular la cual es un crculo con valles, el fluido que pasa a travs de ella se adhiere de forma ms uniforme a la esfera y cuando llega a su lmite en un valle se desva el fluido, lo cual pasa en el centro, y genera vrtices tales como la esfera pero en este caso menores ya que estos valles pretenden hacer que el fluido se alinee cuando salgan de ellos.

Figura 5.- Perfil alar sin ngulo de inclinacin (=0)En la figura 5 se observa un perfil alar el cual tiene la singularidad de tener una forma geomtrica parecida a la de una gota de agua, pero en este caso, el intrads tiene una forma recta a diferencia del extrads que tiene una forma curva y al momento en que pasa el fluido por estas dos partes se generan dos presiones, una positiva y una negativa. La positiva es la que est sometida por el flujo que pasa en el extrads, ya que al querer ir a la misma velocidad que el flujo que pasa en el intrads, genera succin por ir a una velocidad mayor y a su vez la presin es menor que la que hay en el intrads.

Figura 6.- Perfil alar con ngulo de inclinacin moderado

A diferencia de la figura 5 con la figura 6, sta presenta un ngulo de inclinacin el cual es normalmente el que se emplea para realizar la elevacin en una aeronave, ya que no genera demasiado arrastre, y esto se nota al observar que los vrtices que se presentan en el final del perfil son causados a que tiende el fluido a adherirse al objeto mismo pero como el fluido pasa del rea base se empieza a desprender y una parte a adherirse. Si se tomara el perfil como una figura geomtrica empezara a formar un rea base de un rectngulo dependiendo de la inclinacin a la que se encuentre.

Figura 7.- Perfil con gran angulo de ataqueA diferencia de la figura 6 en esta figura se puede apreciar que el angulo de inclinacin del perfil es mayor por lo que genera mas vrtices, ya que el fluido recore el area base objeto una parte del fluido tiende a desprenderse mientras que otra se adhiere al objeto.A este angulo el perfil, si se tomase como figura geomtrica, forma un rectngulo.

Figura 8.- Placa rectangular convexa simulando un ala.En la figura 8 se observa un rectngulo, este presenta mucha oposicin al paso del flujo y al movimiento.

Figura 9.- Ducto con esquinas rectasEn esta figura se observa que en las esquinas rectas se impacta una parte del flujo mientras la otra parte continua el recorrido, la parte impactada se estanca y se genera un pequeo vrtice, una pequea parte del flujo pareciera regresar mientras que el resto se reacomoda y sigue su camino.

Figura 10. Ducto con esquinas redondeadasEn esta figura a diferencia de la figura 9 el flujo no se estampa ni genera vrtice en las esquinas por lo que el recorrido es uniforme, sigue casi perfectamente la forma del ducto y no pierde velocidad, esto gracias a que no hay area donde pueda estancarse el flujo.

Figura 11.- Ducto con esquinas redondeadasy alineadores de flujo.En la figura 11 se puede observar que el alineador del flujo hace que el flujo siga perfectamente la forma del ducto aunque, reduce la velocidad del mismo, no se genera en absoluto vrtices.

CUESTIONARIO1. Explique el principio de funcionamiento del visualizador de Schlieren.

El sistema bsico de Schlierenes un sistema ptico iluminado conluz colimadade haces paralelos, con fuente tras el objeto a observar. Las variaciones en elndice de refraccincausadas por elgradiente de densidaddel fluido en observacin, distorsiona el haz de luz colimada. Esta distorsin en los haces de la luz, crea una variacin espacial en la intensidad de la luz, que puede ser visualizado directamente como ungrfico desombras.

2. Explique tres mtodos de visualizacin de flujo diferentes a los utilizados en esta prctica.

Mtodos de rastreo de partculas: las partculas, como el humo, se pueden aadir a un flujo de rastrear el movimiento del fluido. Podemos iluminar las partculas con una lmina de luz lser con el fin de visualizar una rebanada de un patrn de flujo de fluido complicado. Suponiendo que las partculas siguen fielmente las lneas de corriente del flujo, no podemos slo visualizar el flujo, sino tambin medir su velocidad mediante la imagen de velocimetra de partculas o partculas mtodos de seguimiento de velocimetra.Los mtodos pticos: Algunos flujos revelan sus patrones a travs de los cambios en el ndice de refraccin ptica. Estos son visualizados por mtodos pticos conocidos como el grafo de sombras, fotografa Schlieren, y la interferometra. Ms directamente, los colorantes se pueden aadir a los flujos para medir las concentraciones, por regla general el empleo de la atenuacin de la luz o de las tcnicas de fluorescencia inducida por lser.El Sistema de visualizacin de flujo de Armfield: mediante burbujas de hidrgeno, ha sido diseado para visualizar fenmenos fsicos de difcil descripcin terica. La tcnica de visualizacin de flujo mediante burbujas de hidrgeno es una tcnica reconocida, especialmente til para el laboratorio y para el aula. 3. Defina lnea de corriente, senda y lnea de traza.

Una lnea de corriente es una lnea continua trazada a travs de un fluido siguiendo la direccin del vector velocidad en cada punto. As, el vector velocidad es tangente a la lnea de corriente en todos los puntos del flujo. No hay flujo a travs de una lnea de corriente, sino a lo largo de ella e indica la direccin que lleva el fluido en movimiento en cada punto.Una senda es la trayectoria seguida por una partcula individual por un perodo de tiempo.Una lnea de traza es el lugar geomtrico de las partculas de fluido que han pasado de manera secuencial por un punto prescrito en el fluido. Las lneas de traza constituyen al patrn de flujo ms comn generado en un experimento fsico. Si se inserta un tubo pequeo en un flujo y se introduce una corriente continua de flujo trazador (tinte en un flujo de agua o humo en flujo de aire), el patrn que se observa es una lnea de traza.

4. Explique por qu no es posible que dos o ms lneas de corriente se corten en un punto.

Porque la velocidad es siempre tangente a la lnea de corriente en cualquier punto. Por lo tanto las lneas de corriente no se pueden cruzar, sino en el punto de cruce, la partcula de fluido podra irse por cualquiera de las lneas y el flujo no sera estacionario. Un conjunto de lneas de corriente forma un tubo de corriente o de flujo, las partculas de flui do s e pueden mover slo a lo largo del tubo, ya que las lneas de corriente no se cruzan.

5. Explique cul es el objetivo de realizar una visualizacin de flujo y comente alguna aplicacin en particular.

La visualizacin de flujos consiste en obtener una idea conceptual del comportamiento de un sistema dinmico a partir de sus ecuaciones diferenciales con el fin de obtener una informacin cualitativa o cuantitativa sobre ellos. Experimentacin general aerodinmica para aplicaciones tanto en el campo aeronutico como en el no-aeronutico. En el campo aeronutico se practica para estudiar la eficienciaaerodinmicade un vehculo. Los diseos aerodinmicos reducen la resistencia al avance en los aviones.

CONCLUSINEl estudio del flujo de ciertos fluidos resulta ser muy til para algunas aplicaciones en donde se llegue a emplear, por ejemplo en casos de cilindros, esta su efecto en el cual se generan calles de von Krmn los cuales son, grficamente hablando, patrones de vrtices en forma de remolino que se van repitiendo que son causados por la separacin del fluido con el rea base del cuerpo.Para poder tener idea de cmo se va a comportar un fluido en la interaccin de un cuerpo esencialmente cuerpos esfricos, se emplea el uso del nmero de Reynolds el cual es un nmero adimensional que sirve para caracterizar el movimiento de un fluido ya que ste relaciona velocidad, viscosidad, y densidad del fluido para poder saber qu comportamiento tendr y qu tanto tender y a qu velocidades a generar ms calles de vrtices en un fluido.El flujo de los fluidos puede ser tanto laminar como turbulento y dependiendo de cul sea, su comportamiento ser distinto en algunos cuerpos, como es el caso en flujos de aire cuando un avin va a cierta velocidad, ste deja a su paso una serie de calles de vrtices que si a un avin prximo a este llegan a l esas corrientes de aire, causarn turbulencias y el flujo no se comportar de la misma manera que si estuviera esttico laminar.En un avin, llega a ocurrir lo que son choques de lneas de flujo que, provocadas por la traslacin del objeto se entrelazan y generan a su paso vrtices en las orillas del ala, lo interesante es que a medida que pasan, su entrelazamiento empieza a ser de mayor volumen como si actuara de una forma cnica pero al paso de esto, tambin pierden energa como velocidad.Hay un experimento que es llamado el can de vrtices el cual dentro de un contenedor se guarda aire o cierto fluido y cuando se usa cierta presin el fluido adopta la forma del rea base de salida del cuerpo y es impulsado por la misma presin a cierta velocidad generando una fuerza de impacto que resulta ser del simple movimiento de un fluido.

Equipo 2Pgina 11