Laboratorio de Mecánica de Fluidos I VISUALIZACIÓN DE FLUJO 13/06/2016, 1re TERMINO 2016 AGAMA FUENTES RUSSELL ALEJANDRO Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP) Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL) Guayaquil - Ecuador
[email protected] Resumen El flujo que un fluido puede presentar tiene grandes aplicaciones en la vida diaria debido a esto la observación de flujos a través de diferentes cuerpos presenta gran ayuda en el conocimiento de esta rama para conocer que tipos de flujos existen y cual es su comportamiento en diferentes situaciones al estar en contacto con cuerpos de diferentes geometrías y conocer las pérdidas de energía. Para poder conocer los diferentes tipos de flujos se procedió a encender la maquina generadora y el túnel de humo que funciona a base de kerex, luego de esto se procedió a observar los flujos en cuerpos romos y aerodinámicos dando a conocer así que los cuerpos aerodinámicos son mucho mejores para transportar flujos sin que estos se transformen en flujo turbulento que es donde ocurre mayor cantidad de perdida de energía y sigan siendo flujo laminar. Los cuerpos romos por otro lado se presentan perdidas de energía por el desprendimiento de las capas lo que produce las estelas. Así conociendo esto se puedo determinar que materiales usar para diferentes situaciones. Palabras Clave: líneas de flujo, túnel de humo, cuerpos romos, cuerpos aerodinámicos.
Abstract The flow fluid has great applications in daily life because of this observation flow through different bodies is a great help in understanding this branch to know what types of flows are and what is their behavior in different situations when are in contact with bodies of different geometries and ocurre lost of energy. To know the different types of flows, we proceeded to turn the generator machine and the tunnel of smoke that runs whit KEREX , after this we proceeded to observe flows blunt in streamlined bodies making known aerodynamic bodies are much better to transport flows without these turn into turbulent flow that is where greater amount of energy loss occurs and remain laminar flow . On the other hand blunt bodies have lost energy by the detachment of the layers which causes the wakes. So knowing this can determine what materials to use for different situations. Key Words:. flowlines , smoke tunnel , blunt bodies , streamlined bodies .
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como el número de Reynolds, que es un
Introducción
numero adimensional. Este número depende Cuando estudiamos la mecánica de fluidos es
de varios parámetros como densidad y
muy importante
poder
velocidad del fluido, además del diámetro por
visualizar el flujo a través de diferentes
el cual se transporta el fluido y su viscosidad.
tuberías o recipientes; esto nos permite
Para poder determinar que flujo es en base al
obtener conclusiones acerca de los diferentes
número de Reynolds simplemente se obtiene
tipos de flujos y determinar cuáles de estos
el valor con los parámetros dados y se
son
situaciones
compara con dos valores (2100 y 3000); si el
específicas con parámetros como perdidas de
flujo es menos a 2100 es laminar y si es
energía o mayor fuerza de arrastre con objetos
mayor a 3000 el flujo es turbulento. La
sólidos en contacto con el fluido.
ecuación para determinar el número de
En
más
los
y provechoso
provechosos
aspectos
para
relacionados
a
la
Reynolds es:
visualización del flujo existen varias formas de realizarlo, aunque en general todas ellas son líneas que van en una dirección especifica de
flujo.
Los
tipos
principales
de
visualización son: líneas de huella, líneas de trayectorias y variación de propiedades en un volumen de control; la primera consiste en un conjunto de partículas, en este caso el humo, atravesando
un
punto
determinado,
la
Donde: Re: Número de Reynolds V: Velocidad del fluido D: Diámetro por el cual se transporta el fluido en una tubería o ducto ρ: Densidad del fluido
segunda se refiere al seguimiento de una partícula en el flujo y la ultima la variación de
Cabe recalcar y es muy importante lo que
propiedades dentro de un volumen de control.
ocurre cuando el fluido está en contacto con algún objeto solido mientras este fluido está
Cuando se observa un flujo este puede estar moviéndose de dos maneras distintitas, estas son conocidas como flujo laminar, que está caracterizado por un movimiento constante y suave del fluido, y el otro es flujo turbulento, que está caracterizado por un flujo de las partículas no necesariamente a la misma velocidad ni a la misma dirección. Osborne Reynolds, ingeniero y físico Irlandés, en 1883
en movimiento, mientras las partículas del fluido se desplazan a una velocidad promedio las partículas que se encuentran en contacto con el sólido o superficies del ducto por el cual se transporta llegan a equilibrar la energía y velocidad del sólido, siendo que este se mantiene estático significa que la velocidad de las partículas del fluido en esos puntos es cero.
logro determinar un parámetro por el cual se podía determinar el tipo de flujo conocido
2
Esto provoca que haya variación de velocidad
flujo, ya sea turbulento o laminar, es de suma
de las partículas del fluido que va desde cero
importancia clasificar los tipos de cuerpos en
en las partes que está en contacto con el
aerodinámicos y cuerpos romos. Los cuerpos
sólido y aumente hasta la velocidad del flujo
aerodinámicos
promedio en las partes más alejadas al
desprendimiento de la capa limite sea muy
contacto. Esta diferencia entre las velocidad
lento
de las moléculas del fluido se debe a la
buscando un flujo laminar ya que en este
viscosidad
ocurre menor perdida de energía.
o
resistencia
del
fluido
a
para
buscan
evitar
que
pérdidas
de
este
energía
desplazarse. Cada vez que un fluido se desplaza la viscosidad se presenta y esta ocasiona un esfuerzo de corte en el fluido, cabe
recalcar
que
este
esfuerzo
está
íntimamente relacionado con el gradiente de velocidad. Ahora, la zona que se encuentra en contacto con el sólido, donde se produce el esfuerzo es conocida como la zona viscosa y se delimita con una frontera, donde la velocidad del fluido en contacto es cero, y a esta frontera se la conoce como capa limite,
Luego de que se estudia todas estas propiedades de la mecánica de fluidos, el fin de la práctica es visualizar diferentes tipos de flujos, con varios cuerpos de diferentes geometrías para así determinar que tipo de cuerpos se tienen que utilizar en diferentes situaciones en las que se quiere transportar un flujo.
Equipos, Instrumentación y Procedimiento
esta capa recorre la trayectoria del solido en direccion del flujo. Cuando las partículas que
Los datos de placa del equipo son:
conforman el fluido ya no siguen un perfil de
Equipo: Túnel de humo Marca: PLINT Serie: TE80/4106 Modelo: TE80/4106
velocidad, que es producido por la viscosidad, sino que ahora las partículas toman diferentes velocidades en diferentes puntos de manera aleatoria
e
independiente
ocurre
un
desprendimiento de la capa limite debido a la
El esquema y
partes del equipo están
adjuntados en Anexos A.
estructura geométrica del ducto u objeto por
También se utilizó varios cuerpos solidos
el
este
romos y aerodinámicos. Las imágenes de los
desprendimiento quedan rastros conocidos
diferentes cuerpos con sus respectivas líneas
como estelas que se relacionan con las
de flujo se encuentran en Anexos B.
cual
fluye.
Cuando
ocurre
pérdidas de energía en el fluido. Ahora que se conoce que las pérdidas de energía en un flujo de cualquier fluido se debe en gran manera a la forma del objeto y de esta forma también depende el tipo de
3
Para
realizar
el
procedimiento
del
placa transparente y cambiar el modelo. Esto
experimento se procede a verificar si la
se realiza para los diferentes modelos que
botella del generador de humo con kerex
son:
hasta 2/3 de capacidad, si no esta en la o
Cilindro
o
Esfera
o
Placa con orificio circular
o
Ala aerodinámica
o
Disco
o
Codo recto
Encendido el quemador con el fin de ir
o
Codo recto con deflectores
generando humo. Cuando el humo ha sido
o
Codo suavizado
generado, es producido después de los tres
o
Conjunto de barras
medida adecuada se ajusta hasta la medida indicada. Esto se lleva con el fin de evitar derramamientos de kerex sobre el quemador. Todo esto se realiza antes de encender el quemador.
minutos, se debe quitar la placa transparente y colocar los diferentes cuerpos para su respectiva observación a través de un tornillo en la parte de atrás del túnel se ajusta con los cuerpos. Cabe recalcar que todo esto se debe hacer con el ventilador apagado y usando mascarillas
desde el momento que se
Habiendo acaba la práctica se procede a apagar el ventilador y así terminar con el flujo, se realiza lo mismo con el quemador y los modelos utilizados son guardados en sus respectivos estuches.
Resultados
enciende el quemador y así durante toda la práctica. Durante el proceso de visualización de flujo
Las líneas de flujo y su comportamiento para cada modelo mencionado pude ver claramente en las figuras del Anexo B.
se debe colocar correctamente los diferentes cuerpos y la placa transparente, hecho esto se enciende el ventilador y se procede a observar las líneas de flujo a través del cuerpo, las
Análisis de Resultados, Conclusiones y Recomendaciones
regiones donde ocurre el estancamiento,
Para el análisis del comportamiento de las
desprendimiento y el tamaño de las diferentes
líneas de corriente se estudiara cada modelo.
estelas que se produces por la resistencia del fluido. Cabe recalcar que se debe limpiar el kerex que se encuentra consensado en la quina y esto se realiza a través de la pera de
Cilindro: Las líneas de flujo se curvaron al entrar en contacto con el cilindro adoptando la forma de esta en sus alrededores.
aire con lo que se destapa el tubo de entrada. Cuando se desea proceder a cambiar el modelo se debe apagar el ventilador, quitar la
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Las líneas de flujo próximas al cuerpo se
Disco: en este caso las líneas de flujos tenían
encontraban
iban
cierto parecido con la placa con orificio
separando a medida que se alejaban del
circular. Las líneas de flujo que chocaban con
modelo.
el disco buscaban seguir fluyendo a través del
más
apegadas
y
se
contorno del disco, estas líneas se juntaban Esfera: Las líneas de flujo se comportaron de manera similar a la ocurrida con el cilindro con la diferencia que estas no solamente adoptaban la forma de contorno del cilindro, en este caso las líneas flujo recorren toda la superficie de la esfera.
más mientras más cerca se encontraban del disco y se iban separando conforme se alejaban del disco. El desprendimiento se daba en el contorno del disco por donde las líneas de flujo pasaban curveándose para seguir con el flujo, aquí mismo se daba el estancamiento de las líneas de flujo.
Placa con orificio circular: Las líneas de flujo se curvaron en diferentes direcciones al
Codo recto: las líneas en este modelo se
chocar con la placa con orificio circular. Las
curvaron sobre la parte horizontal y tomaron
líneas que chocaron con la placa se desviaron
rumbo hacia la izquierda y derecha. En este
a ambos lados de la placa pasando por el
modelo las líneas que iban en sentido vertical
orificio circular y por los extremos de la
por
placa. En este caso se mostró un claro
abruptamente la parte superior horizontal del
estancamiento en los contornos del orificio
tubo, aquí es donde se forma la turbulencia y
circular y los extremos de la placa por donde
existe el estancamiento y desprendimiento de
el fluido buscaba salir; cabe recalcar que las
estelas.
el
interior
del
tubo
chocaban
estelas también se formaron en estos puntos. Codo suavizado: Las líneas se fueron Ala aerodinámica: En este caso las líneas
juntando en las paredes interiores del codo, el
curvas de flujo no fueron tan grandes como
flujo avanzaba desde la parte vertical lo que
en casos anteriores, además se puede ver
impulsaba a que el flujo se siga moviendo,
como las líneas de flujo en la cercanía del
incluyendo que el flujo se juntó en la parte
cuerpo no fueron tan unidas. Esto denota que
superior
un
más
impulsado desde la parte vertical y a través
facilidades para que el flujo se transporte. En
del codo suavizado tiende a ocupar la parte
este caso se encontró que el punto de
superior horizontal del tubo. El estancamiento
estancamiento fue en la parte inferior y a
se produjo de la misma manera en la parte en
medida que subía se daba el desprendimiento.
que el flujo cambia de direccion y se
modelo
aerodinámico
presenta
del
codo
suavizado,
el
flujo
presenciaron estelas a la salida del tubo horizontal. 5
Codo suavizado con deflectores: con los
Referencias Bibliográficas/
deflectores no se presentan puntos en los que
Fuentes de Información
exista estancamiento las líneas de flujo pasan entre las placas de los deflectores suavizando
White, F. (1999) Fluid Mechanics.5th ed.
el flujo y haciendo que este se mantenga
Nueva York: McGraw-Hill..
como flujo laminar. Con esto se infiera que la velocidad del flujo disminuye y no se
ESPOL, (2014) Guía de laboratorio de
presentan estelas ni estancamientos.
Mecánica
de
Fluidos
II,
Práctica
A)
Gradiente de Presión y Longitud de Entrada, Conjunto de barras: este conjunto de barras cilíndricas
se
dividían
en
cuatro
B) Perfil de Velocidad. Guayaquil, Ecuador.
filas
equidistantes entre sí. El flujo al pasar por este modelo cambiaba de flujo laminar a turbulento y se forman estancamiento y estelas entre los cilindros causando que haya gran cantidad de pérdidas de energía. Se puede determinar que este conjunto de barras sirve para disipar energía. En base a las observaciones se determinaron conclusiones como: o o o o
Todos los fluidos cambian su trayectoria a medida que interactúan con el objeto. Los puntos de estancamiento son siempre perpendiculares a la velocidad del flujo. Los cuerpos aerodinámicos reducen las pérdidas de energía en el flujo. Al conservarse el flujo laminar existen menos perdidas de energía cosa que no ocurre en flujo turbulento.
Se recomienza enfáticamente usar mascarilla en todo momento mientras la maquinase encuentre
encendidada.
Es
de
suma
importancia destapar el tubo de inyección de kerex con la pera de aire. Se debe verificar que el kerex debe estar completamente en su nivel adecuado.
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ANEXO A - EQUIPO
Figura 1 Esquema del equipo
ANEXO B – LINEAS DE FLUJO
Figura 2. Cilindro
1. Kerex 2. Quemador 3. Indicador de velocidad del ventilador 4. Botón de encendido 5. Pera de aire 6. Placa transparente 7. Salida de humo
Figura 3. Esfera
7
Figura 4. Placa con orificio circular
Figura 5. Ala aerodinámica
Figura 6. Disco
Figura 7. Codo recto
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Figura 10. Conjunto de barras Figura 8. Codo recto con deflectores
ANEXO C-PREGUNTAS EVALUATIVAS ¿Cuál es la diferencia entre flujo laminar y turbulento, está relacionada con el número de Reynolds, de qué manera? El flujo laminar está caracterizado por líneas de flujo que se mantienen constantes, su velocidad no varía, se relaciona con el número de Reynolds si el valor del flujo calculado es menor de 2100. El flujo es turbulento cuando sus líneas de flujo varían con el tiempo por ende su velocidad no es Figura 9. Codo suavizado
constante en toda su superficie y se relaciona con el número de Reynolds cuando el valor calculado del fluido es 3000.
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¿Qué es capa límite y de qué depende su
¿Cómo se genera el humo en el túnel, por qué
espesor?
se utiliza kerex, se puede reemplazar este fluido?
La capa limite es la región imaginaria de la zona del flujo viscoso donde existe una velocidad
El humo se genera calentando el kerex a través
especifica que determina su espesor.
de resistencias mezclándolo en el vaporizador con aire. Se utiliza esta sustancia debido a que
¿A qué se denomina punto de estancamiento y punto de separación o de desprendimiento en la capa límite? El punto de estancamiento es la región donde el
es visible y eso se desea para fines didácticos además de tener una gran cantidad de energía calórica y producir humo blanco que no es contaminante.
flujo está en contacto con la superficie del objeto o tubería y su velocidad es cero, mientras que el punto de separación o desprendimiento es la región donde se desprende la capa limite y ocurren las apariciones de las estelas que significan perdida de energía. ¿Qué es la estela y por qué es importante estudiarla en cuerpos romos y aerodinámicos? Estela es el rastro que deja la capa límite cuando esta se desprende y es importante estudiarla ya que esta nos indica la cantidad de energía perdida del fluido. ¿Cómo se diferencian los cuerpos romos de los aerodinámicos, en el contexto de las fuerzas que genera un fluido sobre dicho cuerpo? Los cuerpos aerodinámicos se diferencian de los romos debido a que su geometría está hecha de tal forma que al fluido al pasar por este haya menor cantidad de pérdida de energía, el flujo se mantenga la más laminar posible. En los cuerpos romos se ve mucha generación de estelas que significan perdidas de energía. 10
