Laboratorio de Mecánica de Fluidos I Visualización de Flujo Rodríguez Albán Jefferson Alexander Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP) Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL) Guayaquil - Ecuador [
[email protected]] Resumen En el reporte realizado se observó el fenómeno de separación del flujo y la distribución de las líneas de corriente mediante la visualización de un flujo real alrededor de cuerpos romos y aerodinámicos por medio de un túnel de humo el cual utiliza kérex para generar un flujo vertical. Aquí se colocaron los diferentes cuerpos, y observamos cómo se formaban las líneas de flujo alrededor de estos. En algunos casos, veíamos como las líneas chocaban y desaparecían aparentemente, pero que en realidad trataban de reordenarse para seguir avanzado a través del camino marcado por el objeto. En otro cuerpos, las líneas avanzaban suavemente y veíamos claramente las líneas de flujo alrededor de estos. Nos dimos cuentas de que las líneas obedecen a la forma del objeto sobre el cual están fluyendo. Se presentaron además las distribuciones de las líneas de corriente y una respectiva imagen de los diferentes cuerpos utilizados para la práctica. Palabras claves: flujo, romos, aerodinámicos, líneas de corriente, túnel de humo.
Abstract During the practice, we could observe flow separation and streamlines distribution by visualization of actual flow around blunt and aerodynamic bodies through a smoke tunnel, which use kerex to generate a vertical flow. In here, we put the different objects and saw how flow lines were formed. In some cases, we could see how lines collide and apparently dessapeared, but that were really trying to rearrange in order to keep further progress through the path the object marked. In other cases, the lines proceeded in a smooth way so we were able to see the flow lines around the objects. We also realized that the lines made because of the smoke, imitate at the object shape in which it is flowing through. It was also presented, the streamlines distribution with its respective picture of the different objects used during the practice.
Key words: flow, blunt, aerodynamic, streamlines, smoke tunnel
Objetivo
se denomina viscosidad. Cuando un fluido circula por una conducción, debido al
Observar el fenómeno de separación del flujo
rozamiento
y la distribución de las líneas de corriente
moléculas y con las paredes de la tubería), la
mediante la visualización de un flujo real
velocidad de las distintas capas de fluido no
alrededor de cuerpos romos y aerodinámicos.
es la misma, como ocurre en fluidos ideales,
interno
(fricción
entre
sus
además se manifiesta una caída de presión
Introducción
según nos desplazamos en la dirección del flujo; como consecuencia de la viscosidad es
¿Qué es un fluido?
necesario ejercer una fuerza para obligar a
Un fluido es una sustancia material continua
una capa de fluido a deslizar sobre otra.
y deformable cuando es sometida a una tensión de cortadura (relación entre la
Resulta que las moléculas que componen
componente tangencial a la superficie de la
un fluido real no se hallan ordenadas entre sí,
fuerza y el área de la superficie).
y mucho menos lo están cuando avanzan en
Fluido ideal: se llama fluido ideal, a un
una corriente. No sólo avanzan en el sentido
fluido de viscosidad nula, incompresible y
de la corriente, sino que también tienen la
deformable cuando es sometido a tensiones
libertad de desplazarse transversalmente. De
cortantes por muy pequeñas que éstas sean.
modo que si pudiésemos ver la trayectoria de
Fluido real: se llama fluido real, a un fluido
algunas cuantas moléculas para darnos cuenta
que es viscoso y/o compresible.
de
Gas perfecto: es una sustancia, que satisface
encontraríamos cosas de este estilo:
cómo
está
avanzando
el
fluido
la ecuación de los gases perfectos PV=nRT y que tiene calores específicos constantes. Diferencia entre un fluido ideal y un gas perfecto: un fluido ideal no tiene rozamiento y es incompresible. El gas perfecto en cambio, tiene viscosidad y, por lo tanto puede desarrollar tensiones cortantes, y, además, es compresible de acuerdo con la ecuación de la ley de los gases perfectos.
El estilo de la izquierda, más ordenado, se llama laminar. El de la derecha, más desordenado, se
Los fluidos naturales o reales, a diferencia de los ideales, poseen un rozamiento interno que
denomina
turbulento. Esas trayectorias
reciben el nombre de líneas de corriente, y
que las velocidades de las láminas se
tienen su importancia operativa.
distribuyen en forma cuadrática: acá te muestro un esquema de un corte longitudinal
Flujo laminar: las partículas fluidas se mueven
según
trayectorias
paralelas,
de una manguera mientras circula un fluido real en forma laminar.
formando el conjunto de ellas capas o láminas. El flujo laminar es más predecible, y existen
varias
leyes
que
describen
su
comportamiento. Su nombre obedece a que las moléculas parecen desplazarse en láminas de igual velocidad, que se envuelven unas a otras en forma concéntrica.
Las
flechas
mostradas
en
la
figura
representan la velocidad de las moléculas de Flujo turbulento: las partículas fluidas se
fluido ubicadas en sus respectivas láminas.
mueven de forma desordenada en todas las
Cuando
direcciones. Este flujo no es muy eficiente en
fluido nos
el uso de la energía. Gran parte se va en
promedio de todas las velocidades de todas
choques, reflujos, remolinos, aceleraciones y
las láminas. Cuanto más viscoso sea un fluido
frenadas. La física de los fluidos turbulentos
mayor será la diferencia de velocidad entre
es bastante complicada y suele requerir de
láminas. Y cuanto más se aproxime a cero la
cantidades considerables de cómputo.
viscosidad del fluido menor diferencia de
hablemos
de
estaremos
la velocidad refiriendo
a
del un
velocidad habrá entre sus moléculas. En una situación extrema -ideal- la velocidad de todas las moléculas es idéntica.
Equipos e Instrumentación La lámina más externa es la más lenta, debido a que está en contacto con la pared del conducto, y el rozamiento la frena. La lámina siguiente -hacia el centro- se desplaza un poco más rápido; y así hasta el centro, donde se halla la columna más veloz de la corriente. Se puede deducir sin demasiada dificultad
En la siguiente práctica utilizamos un equipo conocido como túnel de humo, modelo TE80/4106 marca Plint, el cual consta de un reservorio de kérex; un aparato llamado blower donde se produce la evaporación del kérex; y un ventilador el cual se encarga de
hacer fluir el humo de manera vertical. La
7.- Observamos la distribución de las líneas
capacidad del ventilador es de 1/50 HP con
de corriente del área de separación del flujo
unas 3000 RPM.
para los siguientes modelos:
El túnel de humo ha sido creado con el
Cilindro.
propósito de que se pueda observar las líneas
Esfera
de corriente. Es un aparato de construcción
Placa con orificio circula
simple y fácil de operar, que utiliza kérex
Ala aerodinámica.
para generar humo. El equipo muestra las
Disco
líneas de corriente en flujo vertical (este flujo
Codo recto
es producido por un pequeño ventilador cuya
Codo recto con deflectores.
velocidad puede ser regulada) que pasa
Codo suavizado.
alrededor de los modelos que están sujetos a
Conjunto de Barras
la pared posterior del túnel. Las líneas de humo son introducidas en el flujo de aire desde el generador de humo.
Resultados Se colora en la parte de anexos las fotos que se obtuvieron en esta práctica.
Procedimiento Experimental 1.- Para empezar esta práctica, se llena la
Análisis de los Resultados
botella del generador de humo con kérex hasta 2/3 de capacidad, ajuste el nivel de la superficie
del
líquido
a
la
línea
correspondiente. 2.- Luego, conectamos el túnel y el generador de humo. 4.- Después de un par de minutos el humo es producido y controlado por una abrazadera colocada en la tubería flexible. 5.- Limpiamos el kérex condensado desde la peinilla por la bomba manual. 6.- Ajustamos la velocidad del aire y el suministro de humo a fin de dar filamentos claros de humo alrededor del modelo.
Codo recto: Vimos como el flujo de humo pasaba a través del codo donde las líneas verticales parecían como si desaparecieran cuando chocaban con la parte interior del codo, creando una especie de turbulencia, pero que en realidad estaban desviándose para seguir avanzando a través del camino dado por el codo. Al final del camino, observamos cómo las líneas de flujo se
formaban
de
nuevo
trayectoria. (Figura 1)
siguiendo
su
Codo con deflectores:
iba creciendo su espesor hacia atrás (Figura
Este caso quizás en diseño es muy parecido al
5)
anterior, pero la diferencia es que en éste los Conjunto de barras:
vértices son curvos. Gracias a esto pudimos observar cómo las líneas de corriente se
Se pudo observar que cuando el flujo incidía
acoplaban de una manera más sencilla que en
en la primera fila de las barras, éste se dividía
el caso anterior debido a la forma misma del
y que cuando seguían su trayectoria y se
cono, No se observó cambio aparente en la
encontraban con la siguiente fila, al no tener
velocidad del flujo. (Figura 2)
el
suficiente
reordenarse, Ala aerodinámica:
tiempo se
ni
espacio
comenzaba
a
para formar
turbulencia. Al llegar a la última fila, se veía
Observamos que para el flujo en el ala
como de a poco las líneas se reordenaban y el
aerodinámica las líneas de corriente del fluido
flujo seguía su camino. (Figura 6)
que chocan primero con el borde de ataque del ala, convergen como consecuencia del aumento de velocidad, donde para esta parte del ala, según la forma mostrada, la velocidad es mayor. (Figura 3)
Podemos decir que las líneas de corrientes de un flujo se van a
Cilindro: Cuando observamos la incidencia de las líneas de corrientes en el cilindro, pudimos percatarnos como se separaban cuando llegaban
al
punto
Conclusiones y Recomendaciones
de
estancamiento,
provocando la estala en la parte superior del flujo. (Figura 4)
comportar
de
acuerdo
con
la
geometría del objeto. Lo que implica que mientras la forma sea menos irregular y más ordenada, no se generará tanta turbulencia; mientras que
para
objetos
con
partes
irregulares como en el caso del codo Esfera: Pudimos observar que el patrón de las líneas era similar al del cilindro con la diferencia de que la estela se formaba más atrás. Se observó el desarrollo de la capa límite desde el punto de estancamiento y se mostró como
con deflectores, vimos como al chocar con las paredes de éste, se producía turbulencia y tardaban las líneas
en
reordenarse
cuando
encontraban una zona de mejor circulación. También notamos cómo el flujo va perdiendo velocidad debido a que la
forma del objeto a través de la cuál se
podrá ver como se forman las líneas
dirige,
de flujo y habrá que comenzar de
le
impide
seguir
una
circulación de carácter laminar
nuevo con el procedimiento.
Se recomienda que cada vez que las líneas de corrientes no se puedan apreciar, se purgue el flujo para que
Referencias Bibliográficas/ Fuentes de Información
así las líneas se reordenen y halla una mejor resolución de las mismas. Se
recomienda
realizar
una
observación a las conexiones del equipo para no tener problemas durante la práctica. Tratar de no abrir el espacio donde se
http://ocw.upm.es/ingenieriaagroforestal/fisica/contenido/material -de-clase/Tema-7/fluidos.pdf http://www.flickr.com/photos/kimeri us/2407405047/ http://es.scribd.com/doc/100660287/ Flujo-Externo-IncompresibleViscoso
encuentra el humo, porque sino éste tratará de escaparse por lo que no se
Anexos
Fig.1 Codo recto
Fig.2 Codo con deflectores
Fig. 5 Esfera
Fig. 3 Ala aerodinámica
Fig.6 Conjunto de barras
Fig.4 Cilindro
