Informe Practica de Laboratorio de Mecanica de Fluidos

 

E.A.P. INGENIERIA CIVIL UPeU

UNIVERSIDAD PERUANA UNIÓN FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA E.A.P. Ingeniería Civil

INFORME PRÁCTICA DE DE LABORATORIO MECANICA MECANICA DE FLUIDOS DENSIDAD Y NUMERO DE REYNOLDS Informe Presentado como requisito Parcial para la Aprobación del curso de

Mecánica de Fluidos AUTOR: Witmar Oré Salinas Julino Arce Tacuri Jesús Chile Santa Cruz Jhon Ronald Goicochea Paucar

PROFESOR: Jaime Edsel Díaz Carrera

GRUPO: 3

Lima, 22 de junio de 2015

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Índice I.

OBJETIVOS: ................................... .................. ................................... ................................... .................................. ................................... .................................... ................................... ................. 3

II.

MOTIVACION: .................................. ................. .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... ................................ .............. 3

III.

FUNDAMENTO TEORICO: ................................. ................ ................................... ................................... ................................... ................................... ................................ ............... 3

Prueba N 1: Densidad  ....................................................................................................................... 3  

1.1 Densidad ................................... .................. .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... ................................ .............. 4 1.2 Análisis de dimensiones:.................................................................................................................. 4 2. PESO ESPECÍFICO o DENSIDAD RELATIVA .......................................................................................... 5 3. Densidad relativa (DR) ..................................................................................................................... 6

Prueba N 2: Numero de Reynolds  ................................................................................................. 7  

-¿Qué es el número de Reynolds? ......................................................................................................... 7 -¿De cuáles variables depende? ............................................................................................................ 7 -FENOMENO FISICO SIMPLIFICADO: ...................................................................................................... 7 Numero de Reynolds ............................................................................................................................. 7 Flujo laminar. ......................................................................................................................................... 8 Flujo turbulento. .................................................................................................................................... 8 IV.

HIPOTESIS: ................................. ................ .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... .......................... ........ 9

V.

MODELO MATEMATICO: .................................. ................. ................................... ................................... ................................... ................................... ................................ ............... 9

VI.

DISEÑO DE LA PRÁCTICA ................................. ................ ................................... ................................... ................................... ................................... ........................... .......... 10

VARIABLES Y PARAMETROS  ........................................................................................................ 10 1.

HOJA DE DATOS  ........................................................................................................................ 10

2.

EQUIPO Y MATERIAL M ATERIALES: ES: ......................................................................................................... 10

Herramientas usados en la práctica. .................................. ................. .................................. ................................... .................................... ................................. ............... 10 Equipos usados para realizar la practica.................................................................................................. practica .................................................................................................. 10 VII.

DESARROLLO DE LA PRÁCTICA ................................. ................ ................................... ................................... ................................... ................................... ................... 12

1.  EXPERIMETO CON ALCOHOL ................................................................................................ 12 2.  EXPERIMENTO CON AGUA ..................................................................................................... 13 VIII.

OBSERVACIONES: ................................. ................ .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... ..................... ... 14

IX. ANALISIS DE DATOS Y RESULTADOS: .................................. ................ ................................... ................................... .................................... .............................. ............ 15

Graficas  ................................................................................................................................................ 15 X.

DISCUSION Y CONCLUSIONES:................................... .................. ................................... ................................... ................................... ................................... ..................... .... 15

XI. SUGERENCIAS Y RECOMENDACIONES:................ .................................. ................................... ................................... .................................... ........................... ......... 16

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I.

OBJETIVOS:

 

Determinar la densidad del agua, alcohol. a temperatura ambiente.   Comparar los resultados obtenidos, con los valores numéricos encontrados en tablas y Determinar el error porcentual   Comprender la importancia del número de Reynolds en el estudio del comportamiento de flujos.   Calcular mediciones del número de Reynolds para flujos en diferentes condiciones mediante datos conocidos.

I.

MOTIVACION:

Por motivo de no poder observar directamente la densidad el tipo de flujo en una tubería cerrada, siendo de especial importancia para un ingeniero civil el comportamiento de éste, se hace uso del número de Reynolds como un punto de partida para determinar las características de un fluido que fluye a través de una tubería, a partir de datos y la sustancia ya conocidos en el sistema.

II.

FUNDAMENTO TEORICO:

Prueba Nº 1: Densidad Para determinar la densidad de un líquido es necesario medir la masa de un volumen Conocido.  

Agua de grifo.   Alcohol antiséptico.

Es la cantidad de masa contenida en un determinado volumen de una sustancia, la densidad nos da el grado de compactación de un material. La densidad se define como la masa de una sustancia contenida en una unidad de volumen. La unidad de densidad en el SI es el kilogramo por metro cúbico y se denota por р. 

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En cuerpos homogéneos, la densidad es una propiedad que se refiere a todas las partes del cuerpo. Si estos son heterogéneos, la densidad varía de un punto a otro

1.1 Densidad (  ) Es la relación entre la masa del fluido (M) y su volumen (W).



 

 

El procedimiento para determinar la densidad es el siguiente:  

Tomar un recipiente de volumen conocido.   Pesar el recipiente.   Llenar el recipiente con el líquido cuya densidad se se pretende determinar.   Pesar el recipiente lleno con líquido.    

Por diferencia de pesos, determinar el peso del líquido. La masa se obtiene de dividir el peso del del líquido para la gravedad.   Finalmente, dividir la masa para el volumen y se obtiene la densidad.

1.2 Análisis de dimensiones: dimensiones:

 

La densidad, al referir la masa a la unidad de volumen, se conoce también como masa especifica.    Los símbolos "gr' y "kg" representan "gramos masa" y "kilogramos masa”,  respectivamente.  

Ilustración1DENSIDADI

Ilustración2DensidadII

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2. PESO ESPECÍFICO o DENSIDAD RELATIVA

El peso específico (o densidad relativa) es una medida relativa de la densidad, como la presión tiene un efecto insignificante sobre la densidad de los líquidos, la temperatura es la única La variable que relativa debe ser en cuenta sentar de lassu bases para a el cierta peso específico. densidad detenida un líquido es la al relación densidad temperatura, con respecto al agua a una temperatura normaliza.

Peso específico (y)

Es la relación entre el peso del fluido (G) y su volumen (W).



 

 

La relación entre el peso específico y la densidad es:

y =p.g    Análisis de dim dimensiones: ensiones:

5

 

E.A.P. INGENIERIA CIVIL UPeU Volumen específico (We)

Es el volumen (W) ocupado por la unidad de masa (M); o sea, es la inversa de la densidad.

 Análisis de dimensiones: dimensiones:

El volumen específico del agua destilada a 4°C y a presión atmosférica suele -3 -1 convenirse en 10 m³/Kg, y el del aire en 1.3  m³ / Kg.

3. Densidad relativa (DR)  Es la relación entre el peso específico del líquido (y) en análisis y el peso específico del agua (Y agua); o, entre la densidad del líquido (P) y la densidad del agua (P agua) en condiciones normales. Se entiende por agua en condiciones normales: a presión atmosférica, a 4°C, destilada, y depurada de gases e impurezas. En la práctica suele utilizarse agua dulce corriente. Para los gases habrá que relacionar el peso específico o densidad del gas en análisis con el peso específico o densidad del aire seco.

La densidad relativa es adimensional.

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El procedimiento para determinar la densidad relativa es el siguiente.  

Una vez determinado el peso específico o la densidad del líquido, dividir para los valores estándar del peso específico o la densidad del agua.   Valores de uso frecuente:

Prueba Nº 2: Numero de Reynolds

-¿Qué es el número de Reynolds? Es un valor que nos ayuda a identificar la naturaleza de un flujo en una tubería, ya sea laminar, en transición o turbulento.

-¿De cuáles variables depende? Depende de la densidad, velocidad, diámetro o longitud y viscosidad dinámica, en términos de ésta; y de la velocidad, diámetro y viscosidad cinemática, en términos de ésta.

-FENOMENO FISICO SIMPLIFICADO: Numero de Reynolds Reynolds (1874) estudió las características de flujo de los fluidos inyectando un trazador dentro de un líquido que fluía por una tubería. A velocidades bajas del líquido, el trazador se mueve linealmente en la dirección axial. Sin embargo a mayores velocidades, las líneas del flujo del fluido se desorganizan y el trazador se dispersa rápidamente después de su inyección en el líquido. El flujo lineal se denomina Laminar y el flujo errático obtenido a mayores velocidades del líquido se denomina Turbulento Las características que condicionan el flujo laminar dependen de las propiedades del líquido y de las dimensiones del flujo. Conforme aumenta el flujo másico aumenta las fuerzas del momento o inercia, las cuales son contrarrestadas por la por la fricción o fuerzas viscosas dentro del líquido que fluye. Cuando estas fuerzas opuestas alcanzan un cierto equilibrio se producen cambios en las características del flujo. En base a los experimentos Reynolds del en diámetro 1874 sedeconcluyó quey de las lafuerzas del momento son realizados función de por la densidad, la tubería velocidad

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media. Además, la fricción o fuerza viscosa depende de la viscosidad del líquido. Según dicho análisis, el Número de Reynolds se definió como la relación existente entre las fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas (o de rozamiento).

Este número es adimensional y puede utilizarse para definir las características del flujo dentro de una tubería. El número de Reynolds proporciona una indicación de la pérdida de energía causada por efectos viscosos. Observando la ecuación anterior, cuando las fuerzas viscosas tienen un efecto dominante en la pérdida de energía, el número de Reynolds es pequeño y el flujo se encuentra en el régimen laminar. Si el Número de Reynolds es 2100 o menor el flujo será laminar. Un número de Reynolds mayor de 10 000 indican que las fuerzas viscosas influyen poco en la pérdida de energía y el flujo es turbulento.

Flujo laminar.  A valores bajos de flujo másico, cuando el flujo del líquido dentro de la tubería es laminar, se utiliza la ecuación demostrada en clase para calcular el perfil de velocidad (Ecuación de velocidad en función del radio). Estos cálculos revelan que el perfil de velocidad es parabólico y que la velocidad media del fluido es aproximadamente 0,5 veces la velocidad máxima existente en el centro de la conducción

Flujo turbulento. Cuando el flujo másico en una tubería aumenta hasta valores del número de Reynolds superiores a 2100 del el flujo dentro la tuberíadesedicha vuelve errático y se produce la mezcla transversal líquido. La de intensidad mezcla aumenta conforme aumenta el número de Reynolds desde 4000 hasta 10 000. A valores superiores del Número de Reynolds la turbulencia está totalmente desarrollada, de tal manera que el perfil de velocidad es prácticamente plano, siendo la velocidad media del flujo aproximadamente 0.8 veces la velocidad máxima.

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III.  HIPOTESIS: Se pretende por medio de la realización de esta práctica obtener el número de Reynolds, utilizando datos obtenidos experimentalmente y así comprobar cuando un flujo es laminar y turbulento de una manera didáctica.

IV.

MODELO MATEMATICO:

Fórmula para calcular la velocidad la cual necesitamos para calcular el número de Reynolds.



 

  ( ) 



 

  () 

Donde A es el área en metros cuadrados (m 2), por donde pasa el fluido en la tubería, Q es el flujo volumétrico en metros cúbicos sobre segundo (m 3/s) y D el diámetro interno de la tubería en metros (m) Fórmula para calcular el número de Reynolds.

 

 

 

() 

  Es la viscosidad cinemática que en metros cuadrados sobre segundo (m 2/s).

Sustituyendo la velocidad en la formula numero 3 obtenemos otra fórmula para obtener el numero de Reynolds.

 

 

  () 

D (m) 

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V.

DISEÑO DE LA PRÁCTICA

VARIABLES Y PARAMETROS Para poder obtener el número de Reynolds es necesario conocer la velocidad del fluido, esta se calcula con el caudal o flujo volumétrico (Q) y el área de sección transversal a partir del diámetro interno dada en las especificaciones de la tubería con la fórmula para sacar el área de uncírculo. Habiendo obtenido la velocidad, para poder obtener en número de Reynolds haría falta la viscosidad cinemática, esta se obtiene a partir de tablas donde se busca dependiendo a que temperatura se encuentra el fluido.

1. HOJA DE DATOS Obtención del número de Reynolds.  

16 de junio del 2015.   Volumen Agua: 112 ml    

Diámetro de la pipeta: 0.035m Tiempo: 20.40 s   Tubo PVC 0.035 m (diámetro interno).

2. EQUIPO Y MATERIALES:

Materiales (insumos usados en la práctica) Probeta graduada de 20 mililitros.   Tubo capilar, diámetro 6 mm y 30 cm de largo.   Pipeta   Agua  

 

Alcohol 96°

Herramientas usados en la práctica.  

Regla (30 cm)   Lapicero.   Calculadora.   Papel

Equipos usados para realizar la practica  

Balanza mecánica de tres brazos, capacidad de 2 Kg

 

Botella de Marriot, capacidad 5 litros.

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Cronometro.

Ilustración3regla Ilustración1Botellade

Ilustración2Pipeta

Marriott 

Ilustración3Blanzatresbrazos Ilustración6Cronometro

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VI.  

DESARROLLO DE LA PRÁCTICA 1°- Llenamos con agua la botella de Mariotte, con 111.5 gr de agua y pesamos en balanza mecánica de 3 brazos el resultado final en litros es 0.1115 litros.



  2°- Ponemos 2 tubos capilares de diámetro 4 mm y longitud de 30cm, en la base, y en la parte superior de la botella Mariotte para que el agua pueda desplazarse a través de ella y en la parte superior ponemos para que el aire pueda ingresar y presionar el agua, luego desplazarla.

 

3°- Tenemos un recipiente para recibir el agua desplazado del frasco de Mariotte.

 

4°- Después de haber calculado la masa, calculamos el desplazamiento del agua que se dio en un tiempo de 20.40 s.

 

5°- Utilizamos pipeta y extraemos alcohol de la probeta, 20 ml para calcular la densidad absoluta y relativa.

 

6°- Calculamos con los datos obtenidos en la teoría y hallamos el caudal, densidad, número de Reynolds y comparamos los errores tanto en teoría y práctica

1. EXPERIMETO CON ALCOHOL Probeta sola=92.27 gr. Trabajamos con 20 ml a 20°C. Probeta con alcohol=109.42 gr

   

m v

   

 

(10 109 9.42  92.27) gr  20ml 



0.8575 gr / ml   85 857 7.5kg / m 3  

Con estos datos también podemos hallar la densidad relativa (s.g):

 sg 

   

   H  O 2

 

 sg  

857 85 7.5kg / m 3 103 kg / m 3



0.8575   3

 A temperatura temperatura ambiente ambiente (25°C) la    del alcohol etílico es igual a 787 kg / m .

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2. EXPERIMENTO CON AGUA Probeta sola=92.27 gr. 20.40 ml a 20°C. Probeta con agua= 111.51 gr.

   

(11 111 1.51  92.27) gr  20ml 

El agua a 20°C tiene una

   igual



0.96 962 2 gr / ml   96 962 2kg / m 3    

3

a 998 kg / m . Entonces podemos hallar el % de Error,

con la siguiente fórmula:

% Err  Error  or  

Cantidad experiment al - Cantidad teórica  

Cantidad teórica

 Error  r   % Erro

962 96 2  99 998 8  

998 99 8





100 10 0  

100  3.6%  

Para hallar el caudal calculamos en un tiempo de 20.44 s. y con un volumen igual a 112 ml.

Q

v t 



112 11 2 ml  20.44 s



5.47945 ml    / s   5.47945  10 6 m 3 / s   

Con el diámetro de la pipeta igual a 3.5 mm (3.5*10 -3m) podemos hallar el área de esta misma, y con el caudal ya encontrado calculamos la velocidad del fluido:

V  

Q  A

5.47945  10 6 m 3 / s     035 5m) 2  (0.03 4 



13



5.69 695 5m / s  

 

E.A.P. INGENIERIA CIVIL UPeU Teniendo el diámetro, la velocidad, la densidad y la viscosidad dinámica obtenida de la tabla (propiedades del agua), encontramos el Numero de Reynolds para ver si el fluido es Laminar o Turbulento.

 N Re  N  Re 

 D V      

 

 N Re 

0.035m  0.5695m / s  962kg / m3 3



1.02 10  Pa. s



1879 .908333

 

EL FLUIDO ES TURBULENTO

VII.

OBSERVACIONES:

 

No olvidar conectar bien las mangueras de la presión y a las dos tuberías PVC (cada una en su debido orden), para evitar el derramamiento del fluido, y además verificar que las válvulas del registrador estén cerradas, ya que en esta práctica no es de interés conocer la diferencia de presiones.

 

Verificar que el rotor del sensor de flujo del impulsor funcione de la manera adecuada al encender el equipo.

 

Tomar los datos lo más exactos y precisos posibles, para una mejor interpretación de los mismos.

 

Anotar la temperatura inicial antes de tomar la primera medición de Q.

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VIII.

ANALISIS DE DATOS Y RESULTADOS:

Por medio de las mediciones obtenidas de Q se calculara el número de Reynolds con datos obtenidos de la manera experimental, donde a partir de los cuales se realizara la grafica (Q vs Re) correspondiente para comparar con los datos ya obtenidos teóricamente, respecto a un flujo laminar y turbulento.

Graficas

tubo 0.035 m 0.0004    )    l 0.0003   a    d   u   a0.0002   c    (      Q0.0001

y = 2E-08x + 7E-19 R² = 1

0 0.00E+005.00E+031.00E+041.50E+042.00E+042.50E+04 0.00E+005.00E+031.00E+041.50E+042. 00E+042.50E+04

Re Series1

IX.  

           

DISCUSION Y CONCLUSIONES: Concluyo que la densidad es una propiedad física que es característica característic a de las sustancias puras y es considerada como una propiedad intensiva, ya que es independiente al tamaño de la muestra. Concluyo que el objetivo principal de la práctica era conocer lo qué es la densidad, sus unidades de medición, y los distintos métodos para determinarla. Concluyo que aprendimos los distintos métodos que hay para medir la densidad de un líquido. Es muy importante conocer el comportamiento de los fluidos, sus densidades y la forma de calcularlas, en fin, todas sus características físicas y químicas. Mediante el trabajo de laboratorio, se puede demostrar de forma práctica que todas las leyes y propiedades de los fluidos y materiales, se pueden demostrar. Pudimos conocer los instrumentos utilizados en un laboratorio, la forma de manipularlos y utilizarlos adecuadamente. Concluyo por lo tanto el objetivo se cumplió.

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 

X.  

Por medio de las graficas podemos que hay una completa correlación entre el caudal y el numero de Reynolds, entre mayor sea el flujo volumétrico el numero de Reynolds será mayor, por lo tanto es mas turbulento.

SUGERENCIAS Y RECOMENDACIONES: Tener un mayor orden en el manejo del equipo y en la toma de las mediciones.

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