INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

E.S.I.M.E. UNIDAD TICOMÁN

DINÁMICA DE FLUIDOS

PRÁCTICA 1: MÉTODOS DE VISUALIZACIÓN DE FLUJO DE FLUIDOS

Profesor: Ing. Antonio Medrano

Integrantes del Equipo:Arévalo García Bryan Córdoba Rico David

Martínez González Antonio AlexisHernández Illescas Marco Antonio

Objetivo:

Conocer las características de un método de visualización de flujo de fluido.

Equipo y material:

Túnel de humo Modelos del túnel de humo Parafina líquida

Marco Teórico

Los siguientes términos se emplearan durante en desarrollo de la práctica:

Fluido: Sustancia que se deforma continuamente bajo la aplicación de esfuerzos cortantes sin importar cuán pequeño sea el esfuerzo.

Viscosidad: Oposición de un flujo a las fuerzas tangenciales.

Línea de trayectoria: Es la trayectoria o traza delineada por una partícula de fluido en movimiento.

Línea de corriente: Trazas dibujadas en un campo de flujo que son tangentes a la velocidad del fluido.

Capa límite: Zona en donde el movimiento del fluido es perturbado por la presencia de un sólido con el que está en contacto. En ésta zona, la velocidad del fluido varía del sólido al fluido sin perturbar.

Estela: Rastro en el aire o en el agua que deja tras de sí un objeto en movimiento, se producen cuando hay una presión muy baja a gran altitud.

Flujo laminar: Tipo de movimiento de un fluido cuando éste es permanente y perfectamente ordenado, estratificado, suave de manera en que el fluido se mueve en láminas paralelas sin entremezclarse.

Flujo turbulento: Es el movimiento de un fluido que se da en forma caótica, en el que las partículas se mueven desordenadamente.

Desarrollo de la práctica:

Visualización de flujo de aire por medio de inyección de humo.

Utilizar el túnel de humo para visualizar el flujo que tiene el humo alrededor de diferentes modelos.

Partes del túnel de humo:

Modelos del túnel de humo:

Camioneta y sedán--------------- Figura 1

Para el modelo número uno se comparó el comportamiento de las líneas de flujo en los dos objetos, se observó que en la camioneta se formaba una gran turbulencia en la parte trasera, mientras que en el sedán fue menor esa turbulencia, también se debe a la terminación de los automóviles, ya que una terminación recta como la de la camioneta producirá un mayor arrastre de aire.

Esfera ---------Figura 2

Debido a la geometría de la esfera se observa una gran estela debido a que el fluido no tenía una gran viscosidad, y esto conlleva que las líneas de corriente se desprendieran del objeto (esfera).

Cilindro -----------Figura 3

En este caso se aprecia algo similar en el comportamiento de las líneas de flujo con respecto a la esfera, pero se nota que el arrastre del aire es un poco menor y produce una menor estela.

Perfil con α=0 -----------Figura 4

Debido a la forma del perfil en estudio se aprecia que el arrastre es mínimo y no se aprecia una estela dentro de la parte que contiene a la sección de prueba.

Perfil con ángulo de ataque moderado--------------Figura 5

En este modelo se aprecia que las líneas de corriente en la parte del extradós del perfil aumentan su recorrido, mientras que en el intradós se van juntando las líneas de corriente, en la parte que contiene la sección de prueba no se aprecia estela alguna.

Perfil con gran ángulo de ataque ---------Figura 6

Se aprecia que las líneas de corriente casi chocan con el intradós mientras que las líneas en el extradós tienen un mayor recorrido, en la sección donde se analiza este perfil no hay estela.

Placa rectangular convexa simulando un ala ---------Figura 7

Se aprecia en los extremos tanto derecho como izquierdo en la placa a estudiar se producía un pequeño giro en las líneas de corriente, posteriormente recuperaban su trayectoria original.

Ducto con esquinas rectas -------------------Figura 8

Se aprecia que no todas las líneas de corriente logran pasar de una manera perfecta principalmente en las esquinas rectangulares, donde se produce estela, aunque entraban de una manera perfecta no se considera de la misma forma en la salida.

Ducto con esquinas redondeadas -----------Figura 9

Las líneas de corriente fluían mejor a través del ducto, pero aun así algunas de estas quedaban atrapadas en la esquina de este.

Ducto con esquinas redondeadas y alineadores de flujo -----------Figura 10

Las líneas de corriente siguen su curso de manera casi normal, ya es muy mínima la estela, y esto se debe a los alineadores de flujo y a la forma de las esquinas, es el mejor de estos últimos 3 modelos en cuestiones de disminuir flujos turbulentos y estelas.

Cuestionario

1. Explique el principio de funcionamiento del visualizador Schlieren.

El fenómeno acústico-óptico permite la observación de campos acústicos utilizando luz. La propagación de un campo acústico en un medio, provoca cambios en el índice de refracción del mismo, que pueden ser detectados mediante el uso de métodos ópticos. Se utiliza el método “Schlieren” de reconstrucción de la fase óptica para observar campos acústicos, en situaciones que incluyen la propagación de pulsos de ultrasonido en diferentes medios, el estudio del campo de presiones generado por un transductor cilíndrico, y el scattering de ondas planas por un obstáculo cilíndrico, entre otras.

2. Explique tres métodos de visualización de flujo diferentes a los utilizados en esta práctica.

Visualización y comportamiento de las líneas de corriente alrededor de perfiles o cuerpos impermeables.

Se logra mediante la disolución de permanganato de potasio: este colorante da una coloración morada al fluido (en este caso agua), permitiéndonos visualizar las formas que adquieren las líneas de flujo al chocar con los cuerpos, dependiendo de la geometría del perfil colocado.

Visualización por partículas.

El campo de velocidad es medido en el entorno de la parte delantera de una corriente de agua salada en un plano vertical ubicado longitudinalmente en el centro del canal. Los fluidos son miscibles y el número de Reynolds indica que el flujo es turbulento, de modo que se produce un intenso mezclado convectivo. En estas condiciones, el campo de velocidad en el marco de referencia que se mueve con la corriente puede dividirse en una parte estacionaria y otra fluctuante.

A ambos fluidos le son adicionadas partículas con una densidad próxima a la del agua, y fluoresceína de sodio al agua salada para permitir la visualización del flujo. Una lámpara alógena de 1kW de uso fotográfico con filamento lineal y una lente

esférica generan una hoja vertical de luz de aproximadamente 5 mm de espesor a lo largo de la parte central del tanque. Una cámara CCD fija toma las imágenes laterales de las corrientes.

Con posterioridad a la filmación, se digitaliza y procesa una secuencia de imágenes identificando y siguiendo a la mayoría de las partículas. Las coordenadas son desplazadas en el sistema de referencia que se mueve con la corriente, sustrayendo la ubicación instantánea del frente de las posiciones de las partículas en cada paso temporal. Se obtienen así las trayectorias de las partículas en la región del flujo estudiada.

Sistema de visualización de Armfield.

El Sistema de visualización de flujo mediante burbujas de hidrógeno de Armfield es autónomo. Sus principales elementos son una mesa de flujo, una consola de generación de burbujas de hidrógeno y un completo juego de guías y modelos de flujo en material acrílico.

Una bomba de agua sumergida, que incorpora una unidad exclusiva de impulsión de fluido, circula el agua sin provocar turbulencias importantes a la sección de trabajo de la mesa de flujo.

La profundidad del agua en la mesa de flujo es controlada por un conjunto de represas tipo ataguía. Estructura tipo honeycomb (panal de abejas) para lograr flujo uniforme. El caudal es variable y es controlado por la velocidad de la bomba.

Una guía de luz acrílica, que funciona según el principio de la reflexión interna, está montada encima del canal de flujo. Produce un haz de luz debajo de la superficie del agua, que puede ser ajustado en sentido horizontal, vertical o angular para optimizar las condiciones de visualización en cualquier punto del canal. La guía de luz también incorpora una unidad de flash electrónico y un punto de montaje para una cámara

3. Defina línea de corriente, senda y línea de traza

Línea de corriente: Trazas dibujadas en un campo de flujo que son tangentes a la

velocidad del fluido.

Senda: Es la curva descrita por una partícula en su movimiento.

Línea de traza: lugar geométrico de las partículas de fluidos que han pasado de

manera secuencial por un punto pre-escrito en el flujo

4. Explique por que no es posible que dos o más líneas de corriente se corten en

un punto.

Porque estas son tangentes al vector velocidad, lo que impide que estas se corten en un punto.

5. Explique cuál es el objetivo de realizar una visualización de flujo y comente

alguna aplicación en particular.

El objetivo es analizar el comportamiento del fluido (en este caso el humo) y de sus

líneas de corriente cuando fluyen por un cuerpo, y una aplicación es observar que tan

currentilíneo es un avión cuando se hacen pruebas en el túnel de viento.

Conclusión General:

Esta práctica me pareció muy interesante principalmente por el comportamiento de las líneas de corriente de un fluido (en este caso el humo), donde dependiendo de la geometría del cuerpo puede modificar en una forma sencilla o drástica las líneas de corriente.

Una cosa interesante fue ver el perfil aerodinámico, ya que permiten que el fluido tenga una mayor velocidad y en la práctica no se apreció estela y flujo turbulento, además de que las líneas de corriente se mantienen muy apegadas al perfil, esto se ve reflejado en la sustentación de las aeronaves.

Bibliografía

www. fisica net.com.ar/ fisica /estatica_ fluidos /ap03_hidroestatica.php

Mecánica de Fluidos, Merle C Potter, Thomson