Informe de Numero de Reynolds

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA FACULTAD DE INGENIERÍA

I.TÍTULO:

E.AP. INGENIERÍA CIVIL

“NÚMERO DE REYNOLDS”

II. OBJETIVOS: Objetivos generales 

El objetivo de esta práctica es observar las características de los

regímenes de flujo laminar y turbulento en un conducto, así como la transición entre ambos, reproduciendo el experimento original de Osborne Reynolds.

Objetivos específicos 

Observar y determinar mediante el aparato de Reynolds la diferencia

entre flujo laminar, transición y turbulento. 

De acuerdo a los conceptos adquiridos en el curso de Mecánica de

Fluidos identificar con certeza las características del flujo, de acuerdo a los valores obtenidos del número de Reynolds. 

Conocer y aprender a manejar con destreza el aparato de Reynolds.

III. MARCO TEÓRICO: EXPERIMENTO DE OSBORNE REYNOLDS.

Osborne Reynolds, cuyo retrato aparece en la Figura 1, nació en Belfast (Gran Bretaña) en 1842. En su etapa más temprana, su educación estuvo a cargo de su padre, quien además de ser un excelente matemático, estaba interesado en la Mecánica. Osborne Reynolds demostró pronto sus aptitudes para la Mecánica y a la edad de 19 años comenzó a trabajar con Edward Hayes, un conocido inventor e ingeniero mecánico. Al cabo de un año decidió ingresar en Cambridge, donde se graduó con honores en 1867 y fue inmediatamente elegido miembro del Queens’ College. En 1868 consiguió ser admitido en lo que posteriormente se convertiría en la Universidad Victoria de Manchester, donde permaneció como profesor hasta 1905. Falleció en 1912 a la edad de 69 años.

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La investigación científica de Osborne Reynolds cubrió un amplio abanico de fenómenos físicos y de ingeniería, y estableció los fundamentos de muchos trabajos

posteriores

sobre

flujos

turbulentos,

modelización

hidráulica,

transferencia de calor y fricción. Sus estudios sobre el origen de la turbulencia constituyen un clásico en la Mecánica de Fluidos, como se deduce a partir del uso general hoy en día de términos tales como número de Reynolds, tensiones de Reynolds y ecuaciones de Reynolds.

Entre sus mayores logros figuran sus ensayos de visualización de los flujos laminar y turbulento en conductos, y su análisis sobre los parámetros de dependencia de la transición a régimen turbulento, los cuales fueron publicados por vez primera en 1883, en una revista científica. La fotografía se muestra el tanque en que Reynolds llevó a cabo sus ensayos, el cual se conserva en la actualidad en la Universidad de Manchester, aún en estado operativo.

Esquema del Tanque de Reynolds.

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Para visualizar las características de los flujos laminar y turbulento, Reynolds empleó un colorante inyectado en una corriente de agua. Según muestra la instalación la fotografia, del interior del tanque de Reynolds (que está elevado respecto al suelo), parte un conducto transparente horizontal que, ya fuera del tanque, va conectado a una tubería descendente de desagüe. Debido al desnivel entre la superficie libre del tanque y el desagüe, por esta conducción circula agua. Al final de la tubería hay una válvula de regulación para controlar el caudal de agua desalojado (es decir, la velocidad de la corriente). En ese dispositivo, el agua se introduce en el conducto horizontal a través de una boquilla o embudo, con el objeto de facilitar una circulación del agua muy regular. En la zona de la boquilla se encuentra el inyector de colorante, alimentado desde un pequeño depósito exterior a través de una manguera.

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Diferentes regímenes de flujo observados en el Tanque de Reynolds Reynolds observó que dicho movimiento, estable y regular, sólo existe si la velocidad del flujo es suficientemente pequeña o bien si el diámetro del tubo es suficientemente pequeño para un caudal dado. Bajo estas circunstancias, el colorante forma una línea de corriente bien definida cuyo contorno muestra que sólo existe una pequeña difusión en la dirección radial, debida al transporte molecular. Además, cualquier perturbación que aparezca en el flujo es amortiguada rápidamente. Este movimiento es el denominado laminar . Por el contrario, si la velocidad es lo suficientemente grande, el movimiento del fluido se hace muy sensible a cualquier perturbación, las cuales se amplifican rápidamente. El flujo se hace entonces irregular y pierde su carácter estacionario. El grosor del colorante crece rápidamente, el contorno se difumina y toma una forma irregular hasta que aguas abajo se convierte en una nube. Este movimiento es el denominado turbulento. Reynolds descubrió que la existencia de uno u otro tipo de flujo depende del valor que toma una agrupación adimensional de variables relevantes del flujo, parámetro al que se denomina en su honor como número de Reynolds. Siendo V la velocidad media del flujo (caudal/área transversal del conducto), D el diámetro y ν la viscosidad cinemática del fluido, se define el número de Reynolds,

designado como Re, como:

 

 



Donde:  : Número de Reynolds.  Viscosidad cinemática del fluido.  Diámetro de la tubería o longitud característica. Velocidad del flujo.

En todos los flujos existe un valor de este parámetro para el cual se produce la transición de flujo laminar a flujo turbulento, habitualmente denominado número de Reynolds crítico. Generalmente para flujo en tubos se establecen los siguientes valores críticos del número de Reynolds: MECANICA DE FLUIDOS I

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

Si Re < 2000, el flujo es laminar.



Entre 2000 < Re < 4000 existe una zona de transición de flujo laminar a

turbulento. 

Si Re > 100000 el flujo es turbulento.

En la parte inferior del dispositivo existe una válvula que permite regular el caudal de flujo que circula por la instalación, es decir, permite establece una u otra velocidad de salida del agua. Dependiendo de la velocidad de circulación del agua, el hilo de colorante se observará con mayor o menor nitidez. Cuando la velocidad del agua sea muy baja, el hilo de colorante será perfectamente nítido, hecho indicativo de que se está en un régimen de flujo laminar, como se observa en la figura (a). Si la velocidad del agua aumenta, comienza a perderse la nitidez del hilo de colorante (régimen de flujo de transición), como se observa en la figura (b). Finalmente, cuando se continúan aumentando las velocidades de circulación del agua, llega un momento en que el hilo de colorante se rompe completamente, alcanzándose entonces el régimen de flujo turbulento, como se observa en la figura (c).

En el dispositivo experimental, el caudal se determina mediante un método volumétrico, es decir, se dispone de un recipiente calibrado en volumen, de modo que la medida mediante un cronómetro del tiempo que se tarda en alcanzar un determinado volumen de agua, proporciona el caudal (volumen / tiempo). Conocido el caudal, ya se puede determinar sin más la velocidad del

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agua que circula por la instalación teniendo en cuenta que el diámetro del tubo de vidrio para visualización del flujo es de 9.40 mm. Se dispone también de un termómetro en el depósito de agua que permite establecer la temperatura del agua contenida en el mismo. Este dato es necesario puesto que la viscosidad cinemática del agua, necesaria para calcular el número de Reynolds, varía con la temperatura.

IV. EQUIPOS Y MATERIALES 

Aparato de Reynolds

 

Termómetro



Tubos piezométricos



Válvula para regular el caudal



Recipiente graduado



Colorante (azul)

V.PROCEDIMIENTO 

Medir el diámetro interno del tubo de vidrio.



Establecer un caudal lo más bajo posible, forzando así al régimen laminar.



Abrir la válvula que permite el paso del colorante a través del tubo de

observación. 

Medir la temperatura.



Aforar el caudal.



Incrementar lentamente el caudal, y una vez estabilizado el flujo aforar el

nuevo caudal. Observar el cambio de re régimen del flujo. 

Incrementar nuevamente el caudal, aforarlo y anotar como se va

modificando la línea coloreada. Repetir para varios caudales y estados del régimen de flujo. 

Anotar los resultados.



Determinar la velocidad y la viscosidad del fluido, y encuentre el número

de Reynolds para cada caudal aforado. 

Resuma los ensayos en la tabla.



Compare el régimen del flujo calculado con el observado.



Analice los resultaos obtenidos.

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VI.CUESTIONARIO -Defina los siguientes conceptos: 

Flujo Laminar: Es uno de los dos tipos principales de flujo en fluido. Se llama flujo laminar o corriente laminar, al movimiento de un fluido cuando éste es ordenado, estratificado, suave. En un flujo laminar el fluido se mueve en  láminas paralelas sin entremezclarse y cada partícula de fluido sigue una trayectoria suave, llamada línea de corriente. En flujos laminares el mecanismo de transporte lateral es exclusivamente molecular. Se puede presentar en las duchas eléctricas vemos que tienen líneas paralelas. El flujo laminar es típico de fluidos a velocidades bajas o viscosidades altas, mientras fluidos de viscosidad baja, velocidad alta o grandes caudales suelen ser turbulentos. El número de Reynolds es un parámetro adimensional importante en las ecuaciones que describen en qué condiciones el flujo será laminar o turbulento. En el caso de fluido que se mueve en un tubo de sección circular, el flujo persistente será laminar por debajo de un número de Reynolds crítico de aproximadamente 2040. Para números de Reynolds más altos el flujo turbulento puede sostenerse de forma indefinida. Sin embargo, el número de Reynolds que delimita flujo turbulento y laminar depende de la geometría del sistema y además la transición de flujo laminar a turbulento es en general sensible a ruido e imperfecciones en el sistema.



Flujo Turbulento: se llama flujo turbulento o corriente turbulenta al movimiento de un fluido que se da en forma caótica,  en que las partículas se mueven desordenadamente y las trayectorias de las partículas se encuentran formando pequeños remolinos aperiódicos, (no coordinados) como por ejemplo el agua en un canal de gran pendiente. Debido a esto, la trayectoria de una partícula se puede predecir hasta una cierta escala, a partir de la cual la trayectoria de la misma es impredecible, más precisamente caótica.

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

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Flujo Transicional: también llamado flujo crítico, existe cuando el caudal se incrementa después de estar en flujo laminar hasta que las láminas comienzan a ondularse y romperse en forma brusca y difusa. Se determina cuando el número de Re tiene valores entre 2000 y 4000.

-Realice un esquema de comparación del número de Reynolds superior e inferior, defina valores característicos, estabilidad y facilidad de obtención, variación, etc.

- Calcule los Números de Reynolds Superior e inferior siguiendo el siguiente formato: T

V

Vol

(°C)

(stokes)

(Cm3)

1

21

0,01007

462

30.7

2

21

0,01007

519

3

21

0,01007

4

21

5

N°

t (seg)

Q

tipo de

v (m/seg)

Re

15.049

0.218

2028.461

transición

34.9

14.871

0.216

2009.851

transición

551

40.5

13.605

0.197

1833.059

laminar

0,01007

420

30.8

13.636

0.198

1842.363

laminar

21

0,01007

490

35

14.000

0.203

1888.888

laminar

6

21

0,01007

527

37.6

14.016

0.203

1888.888

laminar

7

21

0,01007

429

34.5

12.434

0.180

1674.876

laminar

8

21

0,01007

520

38.4

13.542

0.196

1823.754

laminar

9

21

0,01007

531

39.7

13.375

0.194

1805.144

laminar

10

21

0,01007

561

42.3

13.262

0.192

1786.534

laminar

(cm3/seg)

flujo

Diámetro del tubo: 9.37 mm  Área de la boca del tubo : 0.690 cm²

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-Explique y realice esquemas de la experiencia de laboratorio poniendo especial énfasis a los conceptos del flujo laminar y turbulento, así como el momento de determinar los números de Reynolds críticos superior e inferior.

VII. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN 

La viscosidad la obtuvimos de la tabla que se encuentra anexada al final

del presente informe (fuente www.waxasoftware.com), y la temperatura del agua del tanque se tomó en laboratorio.



Como puede observar en la tabla de resultados (según el número de

Reynolds) no se obtuvo ningún flujo laminar a pesar que se logró observar el hilo del tinte (aparentemente flujo laminar); según la página web http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/laminar_turbulento.htm cuando el número de Reynolds pasa de 2400 se inicia la turbulencia en la zona central del tubo, sin embargo este límite es muy variable y depende de las condiciones de

quietud del conjunto. 

Según el experimento realizado por la Universidad Politécnica de

valencia en España (http://www.youtube.com/watch?v=Ejbi_axt7-M) se corroboró la clasificación del flujo según los parámetros en que varía el número de Reynolds, los cuales ya mencionamos en el marco teórico. A diferencia nuestra ellos hicieron la medición de su volumen y tiempo en una forma más precisa, el caudal que alimentaba el tanque siempre lo mantuvieron cte, el

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equipo estuvo siempre en condiciones de quietud y para cada caudal hicieron 3 pruebas y sacaron un promedio para evitar errores. 

La temperatura en el agua pudo haber ido variando, sin embargo lo

tomamos como cte, esto pudo hacer variar la viscosidad y por ende el número de Reynolds.

VIII. CONCLUSIONESY RECOMENDACIONES



Conclusiones:



Se pudo observar en laboratorio la diferencia entre el flujo laminar y el

flujo turbulento de fluidos. 

Pudimos determinar las características visuales del tipo de flujo; así como

también la influencia del caudal en el número de Reynolds. 

Llegamos aobservar un flujo laminar , mas no ha demostrarlo con el

cálculo de número de Reynolds; este se puede deber a que la poca precisión de la toma del tiempo , temperatura y volumen, a que el caudal de alimentación no fue cte o a la falta de destreza para manejar el equipo. 

Se pudo observar que el comportamiento de un flujo con velocidades

bajas es laminar y con altas turbulento. 

Pudimos observar que el flujo turbulento parecía caótico y no uniforme, a

tal punto de que el tinte llegó a mezclarse con el fluido. 

Los valores del número de Reynolds están supeditados a errores en

equipo o manipulación de este; por eso nos resultaron flujos turbulentos a bajos velocidades. Por lo cual Debido a una falta de destreza en la operación del equipo; no se pudo llegar a obtener los valores deseados que satisfagan la condición de flujo laminar.

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

Recomendaciones:



Tener más destreza en el uso de la cuba de Reynolds; para así poder

llegar a obtener los valores del número de Reynolds correspondientes al flujo laminar. 

Medir el volumen de agua que se usa en la experiencia en si con

recipientes que cuenten con una gradación menor, en lo posible tratar de usar probetas. 

Tener cuidado que el caudal de agua que alimenta el tanque

sea

constante el equipo esté en un estado de quietud. 

Usar un cronometro y no la aplicación de cronometro del algún celular;

para aumentar la precisión en el tiempo. 

Tratar; en lo posible, de mejorar el equipo para así evitar errores

referentes al caudal y a la volumetría. 

Para hacer las mediciones de un caudal se deben realizar de preferencia

3 pruebas y sacar un promedio, para evitar errores que afecten los resultados. 

Se recomienda que el depósito del tinte esté lo más lleno posible para que

la cantidad de colorante sea máxima. 

El capilar de inyección debe coincidir con el centro de la entrada

campanada del tubo de vidrio.

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IX.BIBLIOGRAFIA 

MECANICA DE FLUIDOS APLICADA, Robert L. Mott. Prentice-Hall. 1994.

4 ed 

MANUAL DE LABORATORIO DE HIDRAULICA DE LA UNIVERSIDAD

DE LOS ANDES. 

MANUAL DE HIDRAULICA, H.w. KING, Editorial Hispanoamericana,

Mexico . 

http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/laminar_turbulento.htm.



http://politube.upv.es/play.php?vid=45987.

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X.ANEXOS

Tabla de Viscosidad dinámica del agua líquida a varias temperaturas

Fuente: VaxaSoftware www.waxasoftware.com

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