Impacto de Chorro Sobre Superficie

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IMPACTO DE CHORRO SOBRE SUPERFICIE EQUIPO FME 01

MECANICA DE FLUIDOS I IMPACTO DE CHORRO

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IMPACTO DE CHORRO SOBRE SUPERFICIE

I.

INTRODUCCIÓN Dentro del estudio del flujo de fluidos encontramos el impacto de un chorro sobre una superficie, base principal para el desarrollo de la teoría de turbomaquinas. Es mediante las turbomaquinas, que se realiza la realización de un trabajo a partir de la energía que trae un fluido, como también la aplicación de un trabajo a un fluido, para agregarle una energía

mayor.

Por ello nos enfocaremos en determinar la fuerza de reacción que se genera por un impacto de chorro a una superficie, sea plana o semicircular.

II.

OBJETIVOS

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Aplicar las ecuaciones de conservación de la masa y cantidad de movimiento para calcular la fuerza de impacto de un chorro sobre una placa fija. Estudiar el procedimiento experimental para medir la fuerza de impacto de un chorro sobre una placa fija. Comparar la fuerza de impacto, teórica y experimental de un chorro

sobre una placa plana y sobre una placa semi-

esférica. Obtener la fuerza producida por el impacto de

un chorro

hidráulico proveniente de una tobera sobre una superficie (plana y semiesférica) por los métodos del momentos y del impulso

respectivamente.

Comparar las fuerzas tanto en la superficie plana ó semiesférica

producida

hidráulico

III.

para

por

el

impacto

diferentes

de

un

chorro

flujosmásicos.

MARCO TEÓRICO PRINCIPIO DE LA CANTIDAD DE MOVIMIENTO Las fuerzas ejercidas por los fluidos en movimiento conducen al diseño de bombas, turbinas, aviones, cohetes, hélices, barcos, etc., por lo cual, la ecuación fundamental de la energía no es suficiente para resolver todos los problemas

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que se presentan y por lo tanto se necesita el auxilio del principio de la cantidad de movimiento. Ecuación de momento para un volumen de control:

        F  FS  FB   VC V  d    SC V  V . d A t Esta ecuación establece la suma de las fuerzas (de superficie y másicas) que actúan sobre un volumen de control no acelerado, es igual a la relación de cambio de momento dentro del volumen de control, más la relación neta de flujo de momento que sale a través de la superficie de control. Considere la situación mostrada en la Fig. 1, en la que un chorro de agua impacta contra una superficie sólida plana (a), oblicua (b) o hemisférica (c). El chorro de agua, generado mediante una tobera de d = 8 mm de diámetro interior, lleva una velocidad v, de manera que transporta un caudal Q = v A, donde A = π d2 / 4 es el área de la sección transversal del chorro.

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Al impactar contra la superficie, el chorro abandona ésta con una velocidad vs convertido en una lámina de área transversal As. En condiciones estacionarias (Q = constante), y teniendo en cuenta que los efectos viscosos son despreciables en el problema (Re = ρ v d / μ >> 1), donde ρ y μ son la densidad y viscosidad del agua respectivamente, la aplicación de la ecuación de Bernoulli a lo largo del chorro proporciona vs = v, de manera que la velocidad de salida es igual a la velocidad del chorro. Por tanto, la conservación de la masa implica As = A. La ecuación de la cantidad de movimiento proporciona la fuerza total sobre la placa en cada caso (se deja como ejercicio al lector demostrarlo): (a) F = ρ Q2 / A (b) F = 3/2 ρ Q2 / A (c) F = 2 ρ Q2 / A

APLICACIONES Las turbinas son dispositivos que producen energía a partir de un fluido que pasa por ella, están constituidos por

un

conjunto de álabes ajustados al eje de la turbina recibiendo el nombre de rodete o rotor. El flujo a través de una turbomáquina puede ser: axial, radial o mixto. La máquina de flujo axial (turbina Francis) maneja grandes gastos, con alto rendimiento. Para una turbina de impulso o de reacción (turbina Pelton) no existe aceleración del fluido respecto al álabe, es decir, trabaja a velocidad constante. En general, la energía del fluido que se transmite a los álabes (o rotor) es convertida en energía mecánica y ésta

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a su vez puede ser transformada en energía eléctrica, como sucede en las plantas hidroeléctricas

IV.

EQUIPOS Y MATERIALES Banco hidráulico FME00. Equipo especifico FME01. Cronometro Probeta

V.

EQUIPO PARA IMPACTO DE CHORRO SOBRE SUPERFICIES

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El equipo sirve para estudiar las fuerzas de chorros a impulsos en cuerpos de choque. Las

fuerzas de impulsión

se generan mediante un chorro de agua. Las fuerzas de impulsión se miden con un sistema de palancas y con los pesos. Las fuerzas de impulsión del chorro de agua se ajustan

mediante

suministro

de

el

agua

caudal. tiene

El

lugar

mediante el HM150 Módulo básico para hidrodinámica o a través de la red del laboratorio. El HM150 permite crear un circuito cerrado de agua. El equipo se compone básicamente de: - Placa base [7] - Conexión de entrada [8] - Conexión de salida [6] - Depósito de plexiglás [5] - Tobera [4] - Cuerpo de choque [3] - Sistema de palancas [2]

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- Pesos [1] En la posición [3] se pueden montar diversos cuerpos de choque. - Cuerpos de choque con superficie plana - Cuerpos de choque con superficie esférica INSTALACIÓN DEL EQUIPO FME01 Realización de ensayos: - Coloque el equipo de ensayo en el HM150de forma que la salida de agua vaya a parar al canal. - Conectar HM150 y el equipo con un tubo. - Abrir la salida de HM150. - Montar el cuerpo de choque [1] (semiesfera o superficie plana). Aflojar los 3 tornillos [3] de la tapa [4] y levantar la tapa con el sistemade palancas. Montar el cuerpo de choquecorrespondiente. No olvidar apretar lacontratuerca [2] de la vara. Volver a atornillar la tapa al depósito. - Colocar el indicador en la posición cero [muesca de punto cero (7)] con el tornillo de ajuste.No colocar pesos sobre el sistema de medición [8]. - Colocar el peso que se desee [8]:0,2 N; 0,3 N; 1 N; 2 N; 5 N o combinaciones. - Cerrar el grifo principal HM150. - Conectar la bomba HM150. - Abrir con cuidado el grifo principal hasta que el indicador vuelva a señalar hacia el cero. - Cerrar el grifo de salida HM150.

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- Determinar el caudal. Para ello se debe detener el tiempo t, necesario para llenar el depósito volumétrico de HM150. - Desconectar la bomba, abrir la salida.

VI.

PROCEDIMIENTO • Desmontar la tapa que apoya sobre la cubeta transparente del depósito con el fin de colocar la superficie plana en el lugar de impacto y sujeta a la barra vertical que forma parte del sistema de calibración de fuerzas montado en dicha tapa. Tapar nuevamente el depósito. • Situar el conjunto en el canal del banco hidráulico conectado su entrada de agua a la impulsión del mismo. • Nivelar el conjunto.

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• Ajustar el índice del calibre hasta que se encuentre a la misma altura que la señal de la plataforma auxiliar. • Colocar sobre la plataforma una masa. Poner en marcha la bomba del banco hidráulico y permitir el paso del agua regulando el caudal hasta conseguir que la señal de la plataforma se encuentre a la misma altura que el índice del calibre. • En esta situación de equilibrio, medir el caudal de salida por la tobera y tomar nota del valor de la masa puesta en la plataforma. •

Reiterar

las

operaciones

anteriores

incrementando

escalonadamente masas y caudales. • Repetir el proceso completo para la superficie curva y la semiesférica.



Comentar las posibles discrepancias entre los valores hallados de modo teórico con los experimentales. Los errores que existen en el ensayo se debe a causas tales

como:

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o La mala calibración del equipo donde se realizo el ensayo FME 01 o La errónea toma del volumen y de la lectura del cronometro pudo generar el error. o Al momento de ajustar el chorro con el peso no se alineo bien la aguja con la línea que nos permitía saber que el chorro mantenía la pesa en equilibrio. o Podemos observar que solo algunos de los datos teóricos discrepan del rango con los datos reales.

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VII.

RESULTADOS Datos fijos p agua = 1000Kg/m3

D= 8mm (diámetro de la tobera)

A) Superficie Plana 90º Masa (Kg)

Fy (N) ±0.2N

0,01 0,02 0,05 0,1 0,15 0,2

0,0981 0,1962 0,4905 0,981 1,4715 1,962

Volumen(m3) Tiempo(s) 0,000289 0,000451 0,000511 0,000472 0,00052 0,0006

3,29 3,66 2,81 2,04 1,77 1,9

Q (m3/s)

Q2

p Q2/A (N)

0,0000878419452887538 0,000123224043715847 0,000181850533807829 0,000231372549019608 0,000293785310734463 0,000315789473684211

7,71620735211242E-09 1,5184164949685E-08 3,30696166461924E-08 5,35332564398309E-08 8,6309808803345E-08 9,9722991689751E-08

0,153509067778447 0,302079363611477 0,65789911954062 1,06501029796371 1,71707908884931 1,98392588376732

B) Superficie Oblicua 120º Masa (Kg)

Fy (N) ±0.2N

0,01 0,0981 0,02 0,1962

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Volumen(m3) Tiempo(s) 0,00039 0,00042

Q (m3/s)

Q2

4,42 0,0000882352941176471 7,78546712802769E-09 3,97 0,000105793450881612 1,11922542494401E-08

3p Q2/2A (N) 0,2323304208218 0,333994235279204

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0,05 0,1 0,15 0,2

0,4905 0,981 1,4715 1,962

0,000525 0,000552 0,00057 0,000618

3,44 2,69 2,39 2,2

0,000152616279069767 0,000205204460966543 0,000238493723849372 0,000280909090909091

2,3291728637101E-08 4,21088708005695E-08 5,68792563155405E-08 7,89099173553719E-08

0,695061327334345 1,25659405049797 1,69736527539206 2,35479438866135

Q (m3/s)

Q2

2p Q2/A (N)

0,0000707964601769911 0,0000925831202046036 0,000125290697674419 0,000172111553784861 0,000200743494423792 0,000231279620853081

5,01213877359229E-09 8,57163414682008E-09 1,56977589237427E-08 2,96223869462391E-08 4,0297950553475E-08 5,34902630219449E-08

0,199428579490954 0,341057759777731 0,624599977129068 1,1786486401664 1,60341989683504 2,12833037011432

c) Superficie Hemisférica 180º

Masa (Kg) 0,01 0,02 0,05 0,1 0,15 0,2

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Fy (N) ±0.2N 0,0981 0,1962 0,4905 0,981 1,4715 1,962

Volumen(m3) Tiempo(s) 0,00048 0,000362 0,000431 0,000432 0,00054 0,000488

6,78 3,91 3,44 2,51 2,69 2,11