Informe de Laboratorio de Mecánica de Fluidos I Espol Visualización de Un Flujo

 

Laboratorio de Mecánica de Fluidos I Visualización de un flujo 28 de julio de 2018 IT Yépez Tapia Elvira Nicole Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP) Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL) Guayaquil  –  Ecuador [email protected] Resumen En la práctica visualización de un flujo, el objetivo fue observar el comportamiento de las líneas de corriente de un flujo, que interactúan con cuerpos de diferente geometría. Para esta práctica se utilizó el equipo Túnel de humo PLINT que es un aparato que se utiliza para observar líneas generadas por un combustible denominado kérex. Se utilizaron 9 modelos diferentes para analizar fenómenos como desprendimiento de la capa límite, la estela que producen las zonas de baja presión, las líneas de corriente, flujos turbulentos, entre otros. Palabras clave: líneas clave: líneas de corriente, túnel de humo, capa límite.

Introducción Al sumergirse un cuerpo en una corriente fluida, el fluido ejercerá sobre él fuerzas y momentos (White, 2008). Una de las fuerzas ejercidas se denomina de resistencia. La fuerza de resistencia corresponde a una pérdida de la cantidad de movimiento y se debe vencer si se requiere que el cuerpo se mueva. Otra fuerza importante es la que de forma habitual equilibra al peso. Se conoce como sustentación y actúa de manera perpendicular a la resistencia. Cuando el cuerpo es simétrico con respecto al  plano formado por estas estas dos fuerzas, y además además tiene dos planos de simetría, como es el caso de los cilindros, alas, esferas, entre otros, existirá resistencia, pero no habrá sustentación. En flujos de baja velocidad la resistencia solo se mide en función del número de Reynolds. La importancia del número de Reynolds recae en que para todos los flujos siempre se desea conocer si su comportamiento es laminar o turbulento. El tipo de flujo puede predecirse mediante el cálculo de este número adimensional, que relaciona las variables más importantes que describen un flujo: la densidad del fluido , la viscosidad del fluido , la

velocidad no perturbada del flujo   y en una longitud característica del cuerpo .

 =

 

 

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Para cilindros, esferas y discos, la l a característica del cuerpo es su diámetro . Los flujos que tienen números de Reynolds grandes debido a una velocidad elevada o una viscosidad baja tienden a ser turbulentos, mientras que los fluidos con viscosidades altas y que se mueven a velocidades bajas tendrán un número de Reynolds menor y se comportarán de forma laminar. (Mott & Pedraza, 1996) Para reconocer si un flujo es laminar o turbulento con el número de Reynolds, se consideran los siguientes valores experimentales experimenta les (Mott & Brito, 2006): Si  < 2000 2000,, el flujo es laminar l aminar Si  > 4000 4000,, el flujo es turbulento. En el rango de números de Reynolds entre 2000 y 4000 es imposible predecir que flujo existe y  por esa razón, razón, se la denomina denomina región crítica. crítica. Un flujo laminar se caracteriza porque el movimiento del fluido es ordenado y es posible identificar las líneas de flujo por las cuales se 1

 

mueven las partículas, en cambio un flujo turbulento es irregular y tiene grandes variaciones en su velocidad (Incropera & DeWitt, 1999). Para entender el concepto de capa límite se considera un flujo sobre una superficie, cuando

Modelo cilindro Modelo esfera

Modelo codo recto con deflectores Modelo codo suavizado

Modelo conjunto de  barras

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Tabla 2 Equipos e instrumentos utilizados

Resultados las de estas un fluido entranuna envelocidad contacto conpartículas la superficie, adquieren igual a cero. Las partículas adheridas a la superficie actúan como retardante en el movimiento de las partículas en la capa adyacente del fluido, que a su vez actúa para retrasar el movimiento de las partículas en la siguiente capa y así sucesivamente hasta que a una distancia    de la superficie en contacto, donde   es el espesor de la capa límite, el efecto se hace insignificante. Esta desaceleración en el movimiento del fluido está asociada con esfuerzos cortantes que actúan en planos que son paralelos a la velocidad del fluido. A causa de estas variaciones en la velocidad, el flujo del fluido se caracteriza por tener dos regiones distintas, una capa que es delgada (capa límite) en donde los gradientes de velocidades y los esfuerzos cortantes son grandes y una región fuera de esta capa donde los gradientes de velocidad y los esfuerzos son intrascendentes. (Incropera & DeWitt, 1999, p. 289)

A continuación, se ilustran los diferentes modelos utilizados en la práctica con las respectivas líneas de flujo fluj o observadas

Ilustración 1 Modelo Cilindro

Equipos, instrumentación y Procedimiento El equipo utilizado para producir líneas de flujo fue un túnel de humo de las siguientes características Ilustración 2 Modelo esfera

Equipo Marca Serie Modelo Código Espol

Túnel de humo PLINT TE80/4106 TE80/4106 02699

Tabla 1 Datos de placa del túnel de humo

Equipos e instrumentos Modelo Placa con Kérex orificio circular Modelo ala Generador de humo aerodinámica Túnel de humo Modelo codo recto 2

 

Ilustración 3 Placa con orificio circular

Ilustración 6 Codo recto

Ilustración 7 Codo recto con deflectores

Ilustración 4 Ala aerodinámica

Ilustración 5 Disco

Ilustración 8 Codo suavizado

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Modelo ala aerodinámica: En este modelo, las líneas de flujo se adaptaron de manera óptima a todo el cuerpo, existiendo muy poca separación de las líneas de flujo al final de este y no se observó la formación de una estela. Se concluye que es el cuerpo más aerodinámico de los estudiados en la práctica.

Ilustración 9 Conjunto de barras

Análisis de resultados Para los nueve modelos utilizados se obtuvieron resultados diferentes y se dedicará un párrafo para discutir cada uno. Modelo conjunto de barras: Al ingresar el flujo por los diferentes espacios de este modelo, el flujo tomó direcciones y velocidades aleatorias, las líneas de flujo no eran visibles y se formaba una estela dentro del modelo y también salía de este. Modelo cilindro: El flujo se adaptó se manera ordenada por debajo del cuerpo, y por encima no se adaptó, existiendo zonas de baja presión y de altas velocidades, y por esa razón se generó una estela por encima del modelo. Se observó que, al aumentar la velocidad del generador de humo, las líneas de flujo se adaptaron menos menos a la forma del cilindro, lo que concuerda con que, a mayor número de Reynolds, mayor será el desprendim desprendimiento iento de la la capa límite que ocurre en flujos turbulentos. Modelo esfera: En este modelo el flujo también se adaptó de manera ordenada por debajo del cuerpo y por encima se adaptó de mejor manera que en el caso anterior del cilindro, esto se debe a que la esfera tiene curvaturas en las componentes x, y & z por lo cual la estela se separa mucho más arriba que en el modelo del cilindro y no se generan zonas de baja presión en la parte posterior al flujo. Se concluye que el modelo de la esfera es más aerodinámico aerodinámic o que el modelo del cilindro.

Modelo placa con orificio circular: En este cuerpo se observó que, en los extremos las líneas de flujo chocaban y se deformaban causando gran presión y un flujo turbulento. En la zona de abertura las líneas que pasaban por en medio del agujero seguían su trayectoria normal, y las líneas que chocaban con los extremos del agujero se deformaban para ingresar y seguir una trayectoria t rayectoria vertical, en la zona superior de la placa, a los lados del agujero, hubo zonas de baja presión porque la geometría de este cuerpo no permitía que el flujo siga una trayectoria óptima, por lo cual este modelo no se puede considerar aerodinámico. Modelo disco: En este cuerpo se observó  bastante estela estela ya que por debajo el el flujo chocó chocó directamente con el modelo, perdiendo mucha velocidad y formando una zona de mucha  presión que se convierte en una fuerza. Por encima se observó una zona de baja presión al no existir líneas de flujo en esa región. Se encontró una gran separación de la capa límite  por encima de este modelo. Se concluye que este cuerpo no es aerodinámico, pero sí existen aplicaciones para cuerpos que cuya presión se transforma en fuerza. Modelo codo recto: En la entrada de este modelo se observaron unas ligeras curvaturas que sirven para que el flujo se guíe e ingrese hacia el codo, sin generar turbulencias. En la  parte interior del modelo existió un choque  brusco de las líneas de flujo con con la parte parte de 90° del codo, perdiéndose bastante velocidad y generando turbulencia, esto hace que existan  pérdidas y que el flujo no se se dirija bien bien hacia la salida del codo. Se concluye que, de los tres

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modelos de codos revisados, este es el menos aerodinámico. Modelo codo suavizado: En este modelo existe una mejor guía en el flujo y no existe un choque brusco como en el caso anterior del codo recto, existen menos pérdidas y las zonas de baja presión son mínimas. Las líneas de flujo no se deforman y no existe flujo turbulento. Modelo codo recto con deflectores: Este modelo de codo fue el que mejor guio a las líneas de flujo. Los deflectores dentro del codo ayudan a las líneas de flujo a tomar la dirección de salida. Se lo considera el más apto para usar  porque las pérdidas pérdidas son mínimas mínimas Las limitaciones que se presentaron en la  práctica fueron propias del equipo, ya este experimento solo consistió en la observación de las líneas de flujo interactuando con diferentes cuerpos. Una de las limitaciones más importantes fue la iluminación que el equipo y del propio laboratorio, ya que las líneas de flujo no se podían ver con suficiente claridad. Otro aspecto importante que fue una limitación es que el kerex produce un olor muy fuerte y no se puede tener una alta exposición a este olor,  por lo que la práctica tuvo que ser corta corta para no exponernos a diferentes malestares producidos  por la aspiración aspiración de este humo. humo. Por este último aspecto mencionado es una recomendación y obligación usar mascarilla durante toda la  práctica.

Bibliografía Incropera, F. P., & DeWitt, D. P. (1999). Fundamentos de transferencia de calor . Pearson Educación. Mott, R. L., & Brito, J. E. (2006). Mecánica de fluidos. Pearson Educación. Mott, R. L., & Pedraza, C. R. C. (1996).  Mecánica de fluidos aplicada. Pearson Educación. White, F. M. (2008). Mecánica de Fluidos. McGraw-Hill Interamericana de España S.L.

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