Informe Nº4 Numero de Reynolds 3

UNIVERSIDAD DE ANTOFAGASTA

FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA

Laboratorio N° 4

“Numero de Reynolds”

Estudiantes: Kevin Anacona J.

Raúl Collao C.

David Erazo R.

Hugo Julio O.

Académico: Hugo Cayo

Asignatura: Mecánica de fluidos I

Viernes 05 de Junio de 2015, Antofagasta

LABORATORIO Nº4 NUMERO DE REYNOLDS

MECANICA DE FLUIDOS I 2

Índice

Índice……………………………………………………………………..Pagina 2

Introducción…………………………………...…………………………Pagina 3

Objetivos………………………………………………………….Pagina 3

Fundamento teórico.……………………………………………………Pagina 4

Desarrollo experimental………………………………………………...Pagina 8

Materiales y equipos…………………………………………….Pagina 8

Procedimiento……………………………………………………Pagina 10

Resultados……………………………………………………………….Pagina 11

Conclusión……………………………………………………………….Pagina 12



Introducción

El presente informe tiene como finalidad comprobar el estudio del

ingeniero y físico irlandés “Osborne Reynolds” en el estudio de los distintos

tipos de flujos por medio de un valor característicos denominado “Número de

Reynolds”.

Este proceso de estudios de fluidos en laboratorio es determinado por

medio del aparato de Reynolds para luego ser tratados basándonos y utilizando

las ecuaciones pertinentes deducidas por el mismo para encontrar las correctas

conclusiones.

Este informe consta de tres partes; en la primera se exponen todos los

argumentos teóricos del estudio de Reynolds que nos darán la justificación

para desarrollar la segunda parte del informe; que consistente en trabajar los

datos obtenidos en laboratorio con la finalidad de demostrar la teoría planteada.

La tercera parte se dedica a mostrar las conclusiones obtenidas de la segunda

parte para ver la veracidad de los resultados reales.

Objetivos

Al cabo de la experiencia, buscamos cumplir los siguientes objetivos:

Observar los flujos en diferentes regímenes de escurrimiento

demostrados según Reynolds, diferenciando el flujo laminar del flujo

turbulento, flujo transicional y viceversa.

Relacionar las magnitudes físicas estudiadas en la catedra con los flujos

observados en la experiencia.



Fundamento teórico

Cuando entre dos partículas en movimiento existe un cambio de

velocidad, entonces se desarrollan fuerzas de fricción que actúan

tangencialmente a las mismas generando cambios en el movimiento del fluido.

Las fuerzas de fricción introducen un freno entre las partículas en

movimiento, pero simultáneamente la viscosidad trata de impedir esta

condición generada, entonces para que el flujo sea posible, debe realizar un

trabajo para vencer estas condiciones, generando calor al medio que lo

contiene. Dependiendo del valor relativo de estas fuerzas se pueden producir

diferentes estados de flujo.

Reynolds demostró por primera vez las características de los regímenes

de flujo de un fluido real y estos son tres posibles estados: laminar, transición y

turbulento; por medio de un sencillo aparato, Reynolds descubrió que para

velocidades bajas en el tubo de vidrio, un filamento de colorante, no se difunde,

sino que se mantiene sin variar a lo largo del tubo, formando una línea recta

paralela a las paredes (Flujo Laminar). Al aumentar la velocidad, el filamento

ondula y se rompe hasta que se confunde o mezcla con el agua del tubo (Flujo

turbulento).

Flujo Laminar

Cuando el cambio de velocidad es bajo, la fuerza de inercia es mayor

que la de fricción, las partículas se desplazan pero no rotan, o lo hacen pero

con una cantidad de energía despreciable, entonces el resultado final es un

movimiento en el cual las partículas siguen trayectorias definidas, y todas las

partículas que pasan por un punto en el campo del flujo siguen la misma

trayectoria. Este tipo de flujo fue identificado por Reynolds y se denomina

“Flujo Laminar”, queriendo significar con ello que las partículas se desplazan en

forma de capas o láminas bajo la misma dirección como se representa en la

figura 1.



Flujo De Transición

Reynolds observo que antes de cambiar netamente las características

del fluido, la línea del colorante perdía estabilidad formando pequeñas

ondulaciones variables en el tiempo, manteniéndose sin embargo delgada.

Entonces a este régimen lo denomino “Flujo de Transición” como el que se

observa en la figura 2.

Flujo turbulento

Al aumentar el cambio de velocidad, se observó que se incrementa la

fricción entre partículas del fluido, y estas adquieren una energía de rotación

apreciable y la viscosidad pierde su efecto debido a la rotación de las partículas

por ende, cambian de trayectoria. Al pasar de unas trayectorias a otras, las

partículas chocan entre sí y cambian de rumbo en forma errática. Éste tipo de

flujo lo llamo "Flujo Turbulento" como se observa en la figura 3.

Figura 1. Representación de un flujo laminar

Figura 2. Representación de un flujo de

transición



Ecuación de Reynolds

De acuerdo a lo anterior, Reynolds determino que 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 variaciones en las características del

flujo. En base a esto Reynolds en 1874 concluyó que las fuerzas del momento

son función de la densidad, del diámetro de la tubería y de la velocidad 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 numéricamente

de la siguiente forma:

DvvDR ll

e

(ec.1)

Dónde:

Re = Número de Reynolds

D = Diámetro del ducto (por donde circula el agua)

vl = Velocidad característica del líquido

ρ = Densidad del líquido (kg/m3)

μ = Viscosidad dinámica del líquido (kg/(m*seg)

ν = Viscosidad cinemática del líquido (m2*seg)

Figura 3. Representación de un flujo

turbulento



Además, se tiene la ecuación del caudal, la que se define:

t

VQ (m3/ seg) (ec.2)

Dónde:

V = volumen medido en un tiempo determinado

t = tiempo determinado

Entonces, la velocidad viene dada por:

A

Qvl (m/seg) (ec.3)

Dónde:

Q = caudal

A = área interna del tubo por donde circula el líquido

De acuerdo a las experimentaciones y cálculos realizados por Reynolds

se determinó que:

Si Re < 2300, entonces estamos en presencia de un flujo netamente

laminar.

Si 2300 ≤ Re < 4000, entonces estamos en presencia de un flujo de

transición entre laminar y turbulento.

Si Re > 4000, entonces estamos en presencia de un flujo netamente un

flujo turbulento.



Desarrollo experimental

Materiales y equipos

Aparato de Reynolds:

Cronometro

Figura 4. Aparato de Reynolds en la

parte inferior

Figura 5. Aparato de Reynolds en la

parte superior

Figura 6. Cronómetro digital



Recipiente

Balanza electrónica

Figura 7. Recipiente plástico

Figura 8. Balanza electrónica



Colorante

Procedimiento

Medir o registrar el diámetro de la tubería por donde pasa el flujo.

Verificar el nivel de llenado del recipiente de colorante.

Abrir la válvula de alimentación de agua hacia el aparato de Reynolds, el

recipiente debe estar rebalsando durante toda la experiencia.

Se abre la válvula de control de flujo de agua.

Apertura de la válvula reguladora del flujo de colorante.

Durante un tiempo determinado se recolecta una cantidad del líquido. Se

pesa el líquido para calcular su volumen y clasificar el caudal observado

(laminar, turbulento o transición).

Aumentar nuevamente el caudal de agua, para obtener un nuevo flujo.

Realizar los tres veces los pasos anteriores hasta completar las

mediciones deseadas.

Figura 9. Colorante para el flujo color

rojizo



Resultados

Tabla1. Mediciones de la manguera de escape

Tabla2. Mediciones de volúmenes

Nº

Medición

Masa de agua

(gr)

Tiempo

(seg) Flujo observado

1 216,34 53 laminar

2 423,31 43 laminar-transición

3 811,41 16 turbulento

Tabla3. Clasificaciones de flujos

Ocupando las ecuaciones planteadas el marco teórico, clasificamos las

mediciones para comparar lo observado en la realidad con los cálculos

matemáticos teóricos:

Nº

Medición Volumen (m3)

Caudal

(m3/seg)

Velocidad

(m/seg) Re Clasificación

1 0,0002 3,77E-06 0,0264 355,3334 laminar

2 0,0004 9,30E-06 0,065 874,8753 laminar

3 0,0008 5,00E-05 0,3494 4702,7916 turbulento

Diámetro de

manguera(mm)

Área transversal de la manguera

(m2)

13,5 0,0001431



Conclusiones

No se pudo comprobar satisfactoriamente los valores obtenidos por la

ecuación de Reynolds en el experimento ya que, de los números de

Reynolds establecidos, solo dos resultaron correspondientes a los tipos

de regímenes de flujos esperados. Probablemente esto se debió a que

para iniciar el laboratorio, el aparato presentaba algunos problemas ,

como la manguera para expulsar el agua del recipiente no evacuaba el

fluido, también la aguja donde liberaba el colorante se encontraba

bloqueada debido a suciedades costando mucho poder lograr que se

destapara y cuando fue posible hacerlo, la aguja libero tanto colorante

que apreciar los distintos tipos de regímenes fue complicado

De acuerdo a las variables y posibilidad de cálculos, el Número de

Reynolds es de gran utilidad, ya que este relaciona la densidad,

viscosidad, velocidad y dimensión típica de un flujo en una expresión

adimensional y esta puede intervenir en numerosos problemas

relacionados con fluidos tanto para determinar el fluido y a partir de él,

sacar determinaciones necesarias para resolver problemas de ingeniería

relacionados con fluidos y similares.

Informe Nº4 Numero de Reynolds 3

Documents

Transcript of Informe Nº4 Numero de Reynolds 3