Informe Visualizacion de Flujos.

Universidad Santiago de Chile Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería mecánica Laboratorio Mecánica de Fluidos.

Laboratorio Mecánica de fluidos E931: Visualización de flujos

Profesor: Claudio Velásquez Alumno: Mixio Olivares

Universidad Santiago de Chile Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería mecánica Laboratorio Mecánica de Fluidos.

Resumen: Este informe consiste en la experiencia de laboratorio E931 ‘’Visualización de Flujos’’, en el cual a partir del aparato de Reynolds se pueden visualizar los distintos flujos de agua a medida que aumenta su caudal, estos pueden ser de tipo laminar, de transición y turbulento. Los datos obtenidos en esta experiencia se comparan con los obtenidos de la teoría,

Índice:

Introducción ____________________________________________________________________ 3 Objetivo General ________________________________________________________________ 3 Objetivos Específicos _____________________________________________________________ 3 Marco Teórico ______________________________________________________________ 4, 5, 6 Equipos Utilizados _____________________________________________________________7, 8 Metodología __________________________________________________________________9,10 Cálculos y Registros _____________________________________________________________10 Análisis de Resultados ________________________________________________________10, 11 Conclusión ____________________________________________________________________11 Tarea ________________________________________________________________________12 Bibliografía ____________________________________________________________________12 Anexo________________________________________________________________________13

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Universidad Santiago de Chile Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería mecánica Laboratorio Mecánica de Fluidos. Introducción:

La mecánica de fluidos es el estudio que ve cómo se comportan los fluidos, ya sea estos estén en reposo o en movimiento (Estática de fluidos y dinámica de fluidos respectivamente).

Fluido es todo cuerpo gaseoso o líquido, que tiene la propiedad de fluir, no posee rigidez ni elasticidad, por lo que cede ante cualquier fuerza que tienda a alterar su forma, así es como puede adoptar la forma de cualquier recipiente que la contenga.

La experiencia consiste en observar y analizar los distintos flujos del agua mediante un aditivo llamado permanganato de potasio, a partir del aparato de Reynolds.

Un flujo se comporta diferente a distintas velocidades, este se puede clasificar mediante el número de Reynolds, dependiendo de este número se puede decir si el comportamiento del flujo es ‘’laminar, transición o turbulento’’.

Objetivo General: 

Observar y evaluar el tipo de flujo, de acuerdo a si es laminar, transición o turbulento.

Objetivos específicos: 

Identificar parámetros o propiedades que tienen en común el permanganato de potasio con el agua



Determinar el número de Reynolds, para luego comparar el resultado con el número teórico.

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Marco Teórico:

Número de Reynolds (Re):

Es un número adimensional utilizado en mecánica de fluidos, para caracterizar el movimiento del fluido. Su fórmula es:

Re =

⃗ ∙D ⃗ ·𝐷 𝑉 𝜌· 𝑉 ó Re = 𝜐 𝜇

Dónde: ⃗ = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑉 𝐷 = 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝜐 = 𝑉𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑐𝑖𝑛𝑒𝑚𝑎𝑡𝑖𝑐𝑎 𝜇 = 𝑉𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑖𝑛𝑎𝑚𝑖𝑐𝑎 𝜌 = 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜

Reynolds logro establecer un criterio cuantitativo para predecir la aparición de uno y otro flujo, por lo que si Re es menor a 2100 el flujo será laminar, si esta entre un valor menor a 4000 y mayor o igual a 2100 el flujo será de transición y por ultimo si el Re es mayor o igual a 4000 el flujo será turbulento.

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Viscosidad:

Es la oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales, es debida a las fuerzas de cohesión molecular, en palabras más simples es la resistencia de un fluido al movimiento. La viscosidad dinámica o absoluta (µ) es la relación entre el esfuerzo cortante y el gradiente de velocidad. También está la viscosidad cinemática (𝜐), esta se obtiene por el cociente

de la viscosidad

absoluta y la densidad.

𝜐=

𝜇 𝜌

Caudal (Q):

Es la cantidad de fluido que circula a través de una sección de cañería o tubería por una unidad de tiempo. 𝑄=

𝑉 ó𝑄 = 𝑣·𝐴 𝑡

Dónde: 𝑉 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑡 = 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑣 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝐴 = 𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎

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Flujo Laminar:

Es el movimiento de un fluido cuando este es ordenado y prácticamente lineal. En este tipo de flujo, el fluido se mueve en láminas paralelas sin entremezclarse y cada partícula de fluido sigue una trayectoria única, este tipo de movimiento se da a bajas velocidades.

Flujo Turbulento:

Es el movimiento de un fluido que se da en forma extremadamente desordenada y caótica, las partículas del fluido se encuentran formando pequeños remolinos periódicos, este flujo se da a altas velocidades.

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Equipos Utilizados:

Termocupla:

Se utilizó para medir la temperatura del fluido con el cual se trabajó.

Cronómetro:

Se utilizó para medir el tiempo que se demoró en llenar un cierto volumen de fluido.

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Probeta:

Se utilizó para medir el volumen del fluido en un tiempo determinado medido por el cronómetro. Se utilizó una probeta de 2000 [ml].

Aparato de Reynolds:

Este aparato nos permite visualizar el tipo de flujo que se presenta en el experimento, permitiéndonos medir el caudal del fluido. Está compuesto por un estanque que posee un rebalse para mantener la cantidad de agua constante, un inyector, una tubería de vidrio de 36 mm de diámetro y una llave para controlar la salida de agua.

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Metodología:

En la experiencia lo primero que se realizo fue observar el equipo a utilizar y los instrumentos a ocupar para tomar los distintos datos. Se prepara el aparato de Reynolds llenado el estanque hasta su nivel máximo donde se mantiene constante el nivel del agua gracias al rebalse. Una vez con el estanque lleno se abre la llave del agua y se observa el agua que es expulsada por la tubería de 36mm de diámetro con un espesor de 1mm(diámetro interior de 34mm). Se inyecta el permanganato de potasio y se observa el flujo de este en la tubería con agua, luego con la probeta y el cronometro calculamos el caudal de salida del agua en ese momento (también tomamos la temperatura del agua). Esto se repite 5 veces en 3 ocasiones abriendo más la llave para aumentar el flujo de agua y las dos restantes cerrando la llave disminuyendo dicho flujo. En estas 5 repeticiones se observa cómo se comporta el permanganato de potasio, observando si su flujo se comporta de forma laminar, transición o turbulento.

Cálculos y registros:

A continuación se presentan los datos obtenidos en la experiencia y los obtenidos mediante una tabla de valores de viscosidad dinámica y cinemática (se puede ver en anexos):

Medición Temperatura

Tiempo

Volumen

Viscosidad

[ºC]

[S]

[m3]

cinemática [m2/s]

1

14

20

0,000450

0,000001170

laminar

2

13

5

0,001150

0,000001203

turbulento

3

13

2

0,001530

0,000001203

turbulento

4

13

5

0,001100

0,000001203

turbulento

5

13

20

0,000480

0,000001203

laminar

Tabla 1: Resultados obtenidos

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Observación

Universidad Santiago de Chile Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería mecánica Laboratorio Mecánica de Fluidos. Con estos valores podemos determinar el caudal y con este mismo la velocidad para así determinar el número de Reynolds usando las siguientes formulas: 𝑄=

𝑉

𝑣=

𝑡

𝑄 𝐴

Re =

⃗ ∙D 𝑉 𝜐

Dónde: Q= caudal 𝑉 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑡 = 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑣 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝐴 = 𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 = 0,00090792 [m2] 𝜐 = 𝑉𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑐𝑖𝑛𝑒𝑚𝑎𝑡𝑖𝑐𝑎 𝐷 = 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 = 0,034 [m]

Medición

Caudal [m3/s]

Velocidad [m/s]

Nº Reynolds

Flujo

1

0,0000225

0,02478

720,10256

laminar

2

0,00023

0,25333

7159,78387

turbulento

3

0,000765

0,84259

23813,84871

turbulento

4

0,00022

0,24231

6848,32918

turbulento

5

0,000024

0,02643

746,9825436

laminar

Tabla 2: Resultados obtenidos a partir de cálculos realizados.

Análisis de resultados:

A partir de los resultados de la experiencia, se puede comparar los datos obtenidos con los datos teóricos, como se muestra en la siguiente tabla: Medición

Nº de Reynolds

Observación

Teoría

1

720,10256

laminar

laminar

2

7159,78387

turbulento

turbulento

3

23813,84871

turbulento

turbulento

4

6848,32918

turbulento

turbulento

5

746,9825436

laminar

laminar

Tabla 3: comparación entre resultados experimentales y teóricos.

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Respecto a los datos que se muestran en la tabla 3, se observa que en todos los casos obtenidos en la experiencia coinciden con los datos teóricos. Quizá esto se deba a que las posiciones de la llave que tomamos en la primera y en la ultima el caudal era muy pequeño, por lo tanto la velocidad del agua era muy baja, por lo que era fácil distinguir en el permanganato de potasio que fluía de forma laminar. En cambio en las posiciones 2, 3 y 4 el cambio fue demasiado, por lo que la velocidad del agua aumento demasiado y el permanganato de potasio se mezclaba inmediatamente con el agua, por lo que también fue fácil distinguir que eran flujos turbulentos.

Conclusiones:

De acuerdo a lo expuesto en este informe, se aprecia que los valores calculados coinciden en su totalidad con los observados, esto sucedió debido a las posiciones de la llave que tomamos como referencia para el experimento en la posición 1 y 5 fue fácil distinguir que el flujo era laminar gracias al permanganato de potasio, además que era un caudal muy pequeño por lo que era evidente y se veía claro cómo fluía el permanganato de potasio de forma laminar, en las posiciones 2, 3 y 4 fue un poco más difícil ya que no se pudo nunca nivelar el flujo del permanganato de potasio con el del agua, por lo que nos dimos cuenta que esto nunca iba a pasar ya que el flujo que estábamos observando era turbulento, y siempre se iban a mezclar el permanganato de potasio con el agua de forma casi inmediata. No obtuvimos flujos de transición debido a las posiciones que se tomaron para la llave en este experimento, hubiese sido interesante ver este tipo de flujo ya que se comporta de forma diferente a las otras dos antes mencionadas.

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Universidad Santiago de Chile Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería mecánica Laboratorio Mecánica de Fluidos. Tarea:

1) Identificar que parámetro o propiedad tienen en común el permanganato de potasio con el agua:

El permanganato de potasio con el agua deben tener una viscosidad relativamente parecida, ya que para poder observar los flujos de agua ya sea laminar o turbulento estos dos el permanganato de potasio y el agua se deben comportar de una manera similar a medida que aumenta la velocidad para observar claramente que es lo que sucede mientras se aumenta o se disminuye la velocidad del agua.

2) Describir características fundamentales de los flujos laminar y turbulento:

Flujo Laminar: Es el movimiento de un fluido cuando este es ordenado y prácticamente lineal. En este tipo de flujo, el fluido se mueve en láminas paralelas sin entremezclarse y cada partícula de fluido sigue una trayectoria única, este tipo de movimiento se da a bajas velocidades. Se puede cuantificar cuando el número de Reynolds es menos a 2100.

Flujo Turbulento: Es el movimiento de un fluido que se da en forma extremadamente desordenada y caótica, las partículas del fluido se encuentran formando pequeños remolinos periódicos, este flujo se da a altas velocidades. Se puede cuantificar cuando el número de Reynolds es mayor a 4000.

Bibliografía:

https://es.wikipedia.org/wiki/Flujo_turbulento https://es.wikipedia.org/wiki/Flujo_laminar https://es.scribd.com/doc/44854991/Tabla-de-Viscosidad-Cinematica-tuberias

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