Laboratorio de Mecánica de Fluidos I VISUALIZACIÓN DE FLUJO Espinoza Mendieta Steven Andrés Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP) Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL) Guayaquil - Ecuador
[email protected] Resumen En esta práctica se desea observar el fenómeno de separación de flujo y la distribución de las líneas de corriente mediante la visualización de un flujo real alrededor de los cuerpos romos y aerodinámicos. De ellos se pudo comprobar que el comportamiento de los fluidos depende en gran manera de la forma del solido que rodean o de la trayectoria que sigue el fluido dentro de este. En esta práctica, por medio del comportamiento del fluido se puede tener una idea sobre el vector velocidad y en cuáles puntos puede aumentar o disminuir. Palabras Clave: Visualización, fluido, líneas de corriente, turbulencia, distribución.
Abstract In this practice is to be observed the phenomenon of flow separation and distribution of power lines by displaying a real flow around and aerodynamic blunt bodies. Of these it was found that the fluid behavior depends strongly on the surrounding solid form or the trajectory of the fluid inside it. In this practice, through the behavior of the fluid can get an idea of the velocity vector and points which may increase or decrease. Key Words: Visualization, fluid streamlines, turbulence, distribution.
Introducción
fuerzas de gravedad o a las fuerzas causadas por las diferencias de presión.
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, verificándose en esta práctica los distintos tipos de turbulencia que suscitan cuando se hace pasar un flujo dentro o alrededor de un sólido. El éxito consiste en idealizar el flujo hasta llevarlo a un modelo matemático en el cual pueda ser analizado su complejidad. La fricción interna en un fluido ejerce esfuerzos de corte cuando dos capas adyacentes de fluido tienen velocidades relativas entre ellas, cuando éste fluye a través de un tubo o rodea a algún sólido. Pero en algunas ocasiones estas fuerzas se pueden despreciar frente a las
El camino de una partícula individual en un fluido que está en movimiento se llama línea de flujo. Si el patrón global de flujo no cambia con el tiempo, entonces estamos frente a un flujo estable. En un flujo estable, cada elemento que pasa por un punto dado sigue la misma línea de flujo. Una línea de corriente es una curva cuya tangente en un punto tiene la dirección de la velocidad del fluido en ese punto. Si el patrón de flujo cambia con el tiempo, las líneas de corriente no coinciden con las de flujo. (Figura 1).
Procedimiento Experimental Figura 1
En la siguiente figura se muestra patrones de flujo de fluidos alrededor de varios obstáculos. Estos patrones son representativos de flujo laminar, en el que capas adyacentes de fluido se deslizan suavemente una sobre otra y el flujo es estable.
Se verifica que la botella del generador de humo esté lleno por lo menos 2/3 de su capacidad con kérex. Luego se enciende el mecanismo para la generación de kérex. Después se espera unos minutos hasta que el generador produzca una cantidad suficiente de humo para poder visualizar las líneas de flujo que salen de la peinilla.
Figura 2
En el túnel de humo se debe colocar los cuerpos diferentes para analizar el comportamiento de estas líneas de corriente. Si en algún momento llega a condensarse el humo, se procederá a presionar una bomba manual para volver a calentar el humo condensado.
Por ultimo debemos tomar en cuenta que cuando hacemos pasar un flujo a alta velocidad a través de un sólido, o este solido tiene perfiles abruptos, esto puede producir flujos turbulentos.
Equipos e Instrumentación Los equipos que se utilizan en esta práctica son los siguientes: Kérex Generador de humo Túnel de humo
Los cuerpos utilizados en la práctica son los siguientes
Codo sin deflectores suavizado Codo recto Placa orificio Ala aerodinámica Codo con deflectores Cilindro Esfera Banco de tubos
Resultados Se procedió a encender el generador de humo para ver el flujo a través del túnel. Los resultados se presentan de una manera gráfica para todos los casos vistos (Anexo1).
Análisis de los Resultados
Conclusiones y Recomendaciones
Para el caso de ambos codos (uno con y el otro sin deflectores) la diferencia es grande, debido a que el que no tiene deflectores presenta mayor número de vórtices y remolinos, que son los causantes de la disipación de energía en el fluido que lo atraviesa. De aquí el beneficio de utilizar deflectores para la rectificación del flujo.
El patrón de flujo varía notablemente al pasar por un sólido. Además que está fuertemente ligado con el perfil o forma del sólido, debido a que se pueden generar fuerzas de arrastre por fricción o presión, de grande o pequeña magnitud según la forma de este. Se pueden encontrar aplicaciones en la fabricación de autos y aviones que cada vez se tratan de mejorar para que sean más aerodinámicos. La forma de las líneas de corriente nos da una visión de la velocidad, cuanto más se acercan estas líneas mayor es la velocidad.
También se observó el comportamiento del fluido en el cilindro, este mostraba un comportamiento similar al flujo que pasa por una esfera; pero la fuerza de arrastre en el cilindro es mayor que en la esfera, debido a que presenta menos vórtices. Mientras que para el ala aerodinámica la diferencia es enorme pues el flujo permaneció laminar en todo tiempo. Por ello su utilización en las alas de aviones. Mientras que para el banco de tubos no se apreció gran diferencia. Al parecer la turbulencia es dentro de toda la sección de tubos. Esto puede tener aplicaciones en los intercambiadores de calor. También se vio la placa orificio, que claramente presenta una sección de flujo laminar que se forma en la garganta del orificio, pero que en sus alrededores genera turbulencia. Hay que tomar en cuenta estos efectos a la hora de poner algún instrumento que se base en la diferencia de presión en una placa orificio, pues la turbulencia podría arrojar datos inestables.
Como recomendación sería que hay que asegurar que esté bien cerrada la cámara del túnel, ya que si estuviera abierta solo un poco no se podría visualizar de mejor manera el fluido y mostraría un comportamiento no deseado.
Referencias Bibliográficas/ Fuentes de Información FRANK M. WHITE, Mecánica de Fluidos, 6ta edición, capítulo 1. MUNSON YOUNG, Mecánica de Fluidos, 4ta edición, capítulo 1.
Anexos Anexo 1.
En cuanto a las diferencias entre un cuerpo romo y uno aerodinámico, es que en el cuerpo romo cuando se le hace atravesar un flujo, se generan mayor fuerza de arrastre (resistencia que ejerce el cuerpo a paso del fluido) por fricción, que si utilizáramos un cuerpo aerodinámico, de aquí nacen los criterios de diseño para crear alas aerodinámicas de aviones y crear nuevos tipos de autos.
Anexo 1. Codo:
Codo con deflectores:
Codo recto:
Ala aerodinámica:
Esfera:
