ÍNDICE Pág. 1.
Resumen .................................................................................................................... 2
2.
Introducción Introducción ................................................................................................................ 2
3.
Objetivos..................................................................................................................... Objetivos............................................................... ...................................................... 2
4.
Características Características Técnicas de Instrumentos Instrumentos del Laboratorio Laboratorio .......................................... 3
5.
Metodología Metodolo gía experimental experimental ........................................................................................... 4
6.
Presentación Presentación de Datos................................................................................................ 5
7.
Resultados.................................................................................................................. 5
8.
Conclusiones Conclusiones .............................................................................................................. 6
9.
Apéndice..................................................................................................................... Apéndice..................................................................................................................... 7
1) Resumen En la siguiente experiencia práctica, se examinara y determinar el tipo de flujo producido por un líquido que pasa a través de un tubo de vidrio y se comparará con el resultado teórico dado por el número de Reynolds con los datos experimentales obtenidos.
2) Introducción Llamamos fluido a la sustancia no solida cuyas partículas tienen una fuerza de atracción muy débil además de que estas se mantienen unidas gracias a las paredes de su recipiente, dentro de los fluidos encontramos a los gases y los líquidos, estos últimos nos proponen el siguiente fenómeno; ¿En un fluido en movimiento será la velocidad de este igual en todo su volumen? ¿Se comportara distinto a un mayor cauce de fluido o a menor velocidad? ¿Interferirá su viscosidad en el flujo del fluido?, es así como podemos encontrar el número de Reynolds que relaciona la densidad, viscosidad, velocidad y dimensión de un fluido con el fin de estudiar el movimiento de un fluido, este número es un valor adimensional cuyo valor indica si el flujo sigue un modelo laminar, turbulento o de transición, su función al ser un cociente es netamente con fines comparativos para estudiar el movimiento de los fluidos.
3) Objetivos -
Observar y evaluar el tipo de flujo, de acuerdo a si es laminar, transición o turbulento.
-
Diferenciar los distintos tipos de flujo de manera visual y teórica.
-
Obtener los números de Reynolds para cada una de las mediciones .
2
4) Características técnicas de instr umentos del Laboratorio 1) Aparato de Reynolds: -
Marca: Fabricación casera Usach. Descripción: El aparato de Reynolds es utilizado para la visualización del flujo producido por un fluido en movimiento, este consiste en un estanque lleno de agua conectado a un cilindro de vidrio alargado y en posición horizontal paralela a la tierra para minimizar los efectos de la gravedad, una llave de paso en uno de los extremos que permite regular el caudal de fluido que sale por dicho extremo y un marcador químico, en este caso es permanganato de potasio.
Imagen N°1: Aparato de Reynolds
3
2) Probeta: -
Marca: Arquimed. Tipo: Análogo. Sensibilidad: 1[ ] Rango: 0 2000[] Error Instrumental: 0,5[ ] Descripción: Recipiente cilíndrico de plástico utilizado para acumular y medir volumen de líquidos en su interior. Imagen N°2: Probeta.
5) Metodología experimental Se debe constatar que en ningún momento de la experiencia el nivel del agua que se encuentra en el depósito disminuya, ya que la presión que existe puede variar debido a la diferencia de altura, luego de esto se debe verificar que el fluido fluya correctamente por el tubo. Luego de realizar lo anterior, se procede a abrir la llave de paso para que el fluido, en este caso agua, comience a circular a través de la cañería, usando la probeta dejamos que la manguera comience a llenarla hasta cierto límite para que no se rebalse y usando un cronometro se mide el tiempo que se demorara en llenarse la probeta, mientras este proceso está ocurriendo se suelta Permanganato de Potasio, y se comienza a observar las formas que se producen en el transcurso del flujo del agua (que puede ser un flujo laminar, turbulento o ambos), se realizan 5 mediciones con distinta posición en la llave de paso. Luego de esto podemos calcular los caudales, para luego continuar con el cálculo de la velocidad del fluido, ya con los valores anteriormente nombrados, podemos calcular el número de Reynolds para esto se utiliza una tabla de propiedades del agua para ver la viscosidad cinemática de esta a la temperatura experimental, una vez con este dato y calculado el número de Reynolds se procede a comparar el flujo teórico con el observado en el experimento y se analizan los resultados. 4
Imagen N°3: Aparato de Reynol ds 6) Presentación de datos
N° de Medición 1 2 3 4 5 -
Temperatur a Tiempo (seg) Volumen (ml) (°C) 14,5 20 450 13,1 5 1150 12,9 2 1530 12,9 5 1100 13,3 20 480 Tabla N°1: Datos Obtenidos del la Experienci a
Tipo de Flujo Observado Lami nar Transi ción Turbulento Transi ción Lami nar
Diámetro del ducto: ∅ = 34 [] Área del ducto: = 9,079 ∗ 10− [ ] Temperatura Promedio del Agua: ° = 13,34[°]
7) Resultados
N° de Medición 1 2 3 4 5
Caudal Velocidad Reynolds Viscosidad Cinemática Tipo de Flujo − (ml/seg) (m/s) Teórico ( /) 22,5 0,025 741,775 1,18412 Laminar 230 0,253 7506,763 1,18412 Turbulento 765 0,843 25012,653 1,18412 Turbulento 220 0,242 7180,382 1,18412 Turbulento 24 0,026 771,446 1,18412 Laminar Tabla N°2: Resultados o btenid os a partir de los Datos de Tabla 1
5
8) Conclusiones
Respecto al objetivo principal de la experiencia, que fue observar y evaluar el tipo de flujo, de acuerdo a si es laminar, transición o turbulento se puede concluir que se cumplió con éxito, ya que, al observar en cada ocasión se logró identificar el tipo de flujo mediante sus características típicas. Por ejemplo el flujo laminar se observa como una línea que avanza ordenadamente, al observar el permanganato de potasio se observa claramente una parábola a medida que fluye con el agua a través del tubo, el flujo de transición se observa un poco más desordenado, pero que conserva en parte las características de flujo laminar, finalmente en el flujo turbulento se observan pequeños remolinos lo que representa que las capas del fluido tienen distintas velocidades, además en la sección de avance ya no se observa una parábola, sino un flujo más parejo que atraviesa el tubo. Se utilizó permanganato de potasio para poder visualizar de una mejor manera el tipo de flujo, ya que, su viscosidad es casi la misma que el agua, por lo que presenta una visualización confiable del tipo de flujo. Al comparar los resultados obtenidos (los tipos de flujos obtenidos según el número de Reynolds) con los tipos de flujos observados en la experiencia, se puede apreciar que los tipos de flujos en algunos coinciden, ya que los datos fueron tomados por distintos tramos de tiempo, en el caso de los números 1 y 5 de 20 segundos, en los números 2 y 4 de 5 segundos y el 3 de 2 segundos, esto se debió ya que la probeta se llenaba muy rápido en los casos donde circulaba mucha agua. También se puede observar que al aumentar la velocidad de flujo el fluido presentó características de flujo turbulento, esto se comprobó experimentalmente al aumentar la velocidad de flujo. Finalmente, los resultados obtenidos son concordantes con lo esperado, por tanto se puede afirmar que se cumplieron los objetivos planteados.
6
9) Apéndice
Teoría del experimento: El número de Reynolds (Re) es un número adimensional utilizado en mecánica de fluidos para caracterizar el movimiento de un fluido. Relaciona la viscosidad, velocidad y dimensión típica de un flujo en una expresión adimensional, que interviene en numerosos problemas de dinámica de fluidos. Dicho número o combinación adimensional aparece en muchos casos relacionado con el hecho de que el flujo pueda considerarse laminar (número de Reynolds pequeño) o turbulento (número de Reynolds grande). Para un fluido que circula por el interior de una tubería circular recta, el número de Reynolds está dado por: =
⃗ ∗∅
Con: -
⃗ : Velocidad del fluido. ∅: Diámetro de la tubería a través de la cual circula el fluido o longitud
-
característica del sistema. : Viscosidad cinemática del fluido (m²/s).
El flujo se puede clasificar según el número de Reynolds como sigue: < 2000 → . 2000 < < 4000 → ó.
4000 < → .
Cálculos: 1) Cálculo de velocidad para cada flujo: Considerando que el caudal (Q) se puede expresar como sigue: -
⃗ =∗
-
= /
7
Con: - : caudal - : área del ducto o tubería - ⃗: velocidad del fluido - : volumen del fluido - : tiempo transcurrido Al igualar ambas ecuaciones y despejar la velocidad de flujo ( ⃗), finalmente se obtiene la siguiente ecuación: ⃗ =
∗
2) Cálculo de la viscosidad cinemática: Para el cálculo de la viscosidad cinemática se utilizó la siguiente tabla, para determinar la viscosidad del agua según la temperatura:
Tabla N°3: Propiedades físicas del agua según temperatur a
8
Interpolando mediante la siguiente ecuación se obtiene la viscosidad cinemática: =
( ) +
3) Cálculos del número de Reynolds: Para calcular el número de Reynolds se utiliza la siguiente formula: =
⃗ ∗ ∅
Bibliografía: -
Mecánica de fluidos y maquinas hidráulicas, Claudio Mataix, segunda edición. Guía de laboratorio, experiencia E931, Visualización de flujos.
9