informe de cuba de reynolds

Prof.: Vilchez Pérez Cuba de ReynoldsUniversidad Nacional del Callao

INTRODUCCION

El conocimiento de la estructura interna del flujo de un fluido en movimiento es importante, por que permite clasificarlo para ser estudiado detalladamente, definiéndolo en forma cuantitativa. Para definir el tipo de flujo en forma cuantitativa, se debe tener presente el número de Reynolds.

El análisis de tales flujos es importante en los muchos casos en que el fluido se debe transportar de un lugar a otro. Por ejemplo, para determinar las necesidades del bombeo en un sistema de abastecimiento de agua, deben calcularse las caídas de presión ocasionadas por el rozamiento en las tuberías.

Un estudio semejante se lleva a cabo para determinar el flujo de salida de un recipiente por un tubo ó por una red tuberías.

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OBJETIVOS

Visualizar los distintos regimenes de flujo en una tubería

Determinar los números de Reynolds correspondientes a los regimenes de flujo visualizados

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MARCO TEÓRICO FLUJOS INCOMPRESIBLES ESTACIONARIO EN CONDUCTOS A PRESIÓN

Estos flujos cumplen el llamado teorema de Bernoulli, enunciado por el matemático y científico suizo Daniel Bernoulli. El teorema afirma que la energía mecánica total de un flujo incompresible y no viscoso (sin rozamiento) es constante a lo largo de una línea de corriente. Las líneas de corriente son líneas de flujo imaginarias que siempre son paralelas a la dirección del flujo en cada punto, y en el caso de flujo uniforme coinciden con la trayectoria de las partículas individuales de fluido. El teorema de Bernoulli implica una relación entre los efectos de la presión, la velocidad y la gravedad, e indica que la velocidad aumenta cuando la presión disminuye. Para el autor John Muller: "Este principio es importante para la medida de flujos, y también puede emplearse para predecir la fuerza de sustentación de un ala en vuelo.

FLUJO DE UN FLUIDO REAL

Los problemas de flujos de fluidos reales son mucho más complejos que el los fluidos ideales, debido a los fenómenos causados por la existencia de la viscosidad.

La viscosidad introduce resistencias al movimiento, al causar, entre las partículas del fluido y entre éstas y las paredes limítrofes, fuerzas de corte o de fricción que se oponen al movimiento; para que el flujo tenga lugar, debe realizarse trabajo contra estas fuerzas resistentes, y durante el proceso parte de la energía se convierte en calor.

La inclusión de la viscosidad permite también la posibilidad de dos regímenes de flujo permanente diferente y con frecuencia situaciones de flujo completamente diferentes a los que se producen en un fluido ideal. También los efectos de viscosidad sobre el perfil de velocidades, invalidan la suposición de la distribución uniforme de velocidades.

Reynolds estudió las características de flujo de los fluidos inyectando un trazador dentro de un líquido que fluía por una tubería. A velocidades bajas del líquido, el trazador se mueve linealmente en la dirección axial. Sin embargo a

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http://www.monografias.com/trabajos12/moviunid/moviunid.shtml

http://www.monografias.com/trabajos12/eleynewt/eleynewt.shtml

http://www.monografias.com/trabajos15/direccion/direccion.shtml


mayores velocidades, las líneas del flujo del fluido se desorganizan y el trazador se dispersa rápidamente después de su inyección en el líquido. El flujo lineal se denomina Laminar y el flujo errático obtenido a mayores velocidades del líquido se denomina Turbulento

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 cambios en las características del flujo. En base a los experimentos realizados por Reynolds en 1874 se 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 de rozamiento).

Donde: V es velocidad promedio del fluido, ρ densidad, D diámetro del conducto, µ viscosidad dinámica del fluido a temperatura ambiente

Este número es adimensional y puede utilizarse para definir las características del flujo dentro de una tubería.El número de Reynolds proporciona una indicación de la pérdida de energía causada por efectos viscosos. Observando la ecuación anterior, cuando las fuerzas viscosas tienen un efecto dominante en la pérdida de energía, el número de Reynolds es pequeño y el flujo se encuentra en el régimen laminar. Si el Número de Reynolds es 2100 o menor el flujo será laminar. Un número de Reynold mayor de 10 000 indican que las fuerzas viscosas influyen poco en la pérdida de energía y el flujo es turbulento.

Flujo laminar: En el flujo laminar el gradiente de velocidades es diferente de cero. El perfil de velocidad es una curva de forma suave y el fluido se mueve a lo largo de líneas de corriente de aspecto aislado. El flujo se denomina laminar porque aparece como una serie de capas delgadas de fluido (láminas) que se deslizan unas sobre otras. En el flujo laminar las partículas de fluido se mueven a lo largo de las líneas de corriente fijas y no se desplazan de una a otra. El concepto de fricción en el fluido es una analogía adecuada para el esfuerzo

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cortante más aún es realmente el resultado de una transferencia de momento molecular, de fuerzas intermoleculares o de ambas cosas.

Flujo turbulento: Se conoce como flujo turbulento al movimiento desordenado de un fluido: Este se caracteriza por fluctuaciones al azar en la velocidad del fluido y por un mezclado intenso. El patrón desordenado de burbujas cercanas a la parte inferior de la pared del canal es el resultado del mezclado del flujo turbulento en esa zona.

Flujo de transición: El flujo laminar se transforma en turbulento en un proceso conocido como transición; a medida que asciende el flujo laminar se

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Laminar: líneas paralelas, no secruzan ni se bifurcan. Temperatura yvelocidad constantes en cada puntocon t.

Turbulento: líneas formandoremolinos, se cruzan y se bifurcan.Temperatura y velocidad fluctúan encada punto con t, en torno a un valormedio.


convierte en inestable por mecanismos que no se comprenden totalmente. Estas inestabilidades crecen y el flujo se hace turbulento.

Número de Reynolds crítico superior y Reynolds crítico inferior: Se pueden calcular de acuerdo al flujo que aparezca en la Cuba de Reynolds, dependerá de si el flujo es turbulento o laminar. Estos números críticos nacen de las relaciones de viscosidad cinemática, densidad de masa, longitud y velocidad.

Se dice:

Si Re < 2000 el flujo es laminar

Si 2000 < Re < 4000 el flujo es de transicion

Si Re > 4000 el flujo es turbulento

EQUIPOS Y MATERIALES A UTILIZAR

Cuba de Reynolds. Ver figura.

Agua, aproximadamente 30 litros.

01 termómetro

Tinte colorante (fluorescina sódica o permanganato de potasio)

Probeta graduada, de 500 ml.

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PASOS A SEGUIR EN LA EXPERIENCIA

1. Nivele el equipo

2. Tome la temperatura de agua y determine el valor de la viscosidad cinemática utilizando una tabla.

3. Establezca cuidadosamente el número de vueltas que da la válvula de descarga de la tubería de vidrio, desde la posición de “cerrada” hasta la posición de “completamente abierta”. Calcule y anote el número de vueltas que le corresponde a 1/5 de abertura total, y a 2/5, 3/5, 4/5 y 5/5 de la abertura total.

4. Agregue agua en al cuba de Reynolds hasta el nivel máximo del vertedero de rebose. Dejar reposar la masa de agua.

5. Diluya el tinte colorante en aguay viértalo en su recipiente, asegurándose previamente de que la válvula del depósito de tinta esté cerrada.

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6. Abra la válvula de descarga para la primera posición (1/5 de abertura total). El nivel de agua en la cuba deberá permanecer constante, es decir al nivel del rebose del vertedero, para lo cual deberá verter en la cuba tanta agua como la que desagua por la válvula de descarga.

7. Abra la válvula del depósito de colorante y observe el tipo de flujo. Anote en su tabla de resultados.

8. Mida el tiempo que demora en descargar un volumen de agua (aprox. 500 ml) por la tubería de vidrio. Efectúe tres mediciones y anote los resultados en la tabla de datos.

9. Repita los pasos 4 al 8 para las demás posiciones de abertura de la válvula.

HOJA DE DATOS Y CÁLCULOS

DATOS DE LABORATORIO:

El diámetro de la tubería de vidrio es 2.54x10-2 m.

Temperatura del agua = 22.5 ºC

Viscosidad cinemática = 0.946x10-6 m2/s

Área = 5.067x10-4 m2

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DATOS MEDIDOS DIRECTAMENTE TABLA # 1

TIEMPO (Seg)APERTURA DE

LLAVEVOLUMEN (m3)

TEMPERATURADEL AGUA (ºC)

41.80 1/5 0.5x10-3 22.5ºC 10.62 2/5 0.5x10-3 22.5ºC

6.30 3/5 0.5x10-3 22.5ºC

5.41 4/5 0.5x10-3 22.5ºC

5.14 5/5 0.5x10-3 22.5ºC

NOTA: Para esta experiencia se esta considerando la temperatura del agua a 22.5ºC, debido a que esta, no se llego a medir en clase, y se la esta considerando constante durante toda la experiencia.

CÁLCULOS:

-CALCULO DEL CAUDAL Q = Volumen / tiempo Volumen = volumen promedio

Para 1/5 de abertura tenemos:

m3/seg.


m3/seg.

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m3/seg.


m3/seg.


m3/seg.

-CALCULO DE LA VELOCIDAD v = Q /A A = sección transversal del ducto.

Hallando sección transversal del ducto:


m/seg


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m/seg


m/seg


m/seg

Para 5/5 de

abertura tenemos:

m/seg

-CALCULO DEL NUMERO DE REYNOLDS Re = (V D)/ V = velocidad del fluido en la tuberíaD = diámetro del ducto.

= viscosidad cinemática, hallada en las tablas con la temperatura.

De la tabla interpolando tenemos:

Temperatura ºC Viscosidad cinemática (m2/s)

22 0.957x10-6

22.5

24 0.914x10-6

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Por interpolación:






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TABULACIÓN DE RESULTADOS :

TABLA # 2

APERTURA DE LLAVE Q (m3/seg) V(m/seg) Re

FLUJO OBSERVAD

O

FLUJO TEÓRICO

1/5 633.66 ( Laminar ) Laminar2/5 2491.36 Transición Transición3/5 4204.69 Turbulento Turbulento4/5 4894.74 Turbulento Turbulento5/5 5152.49 Turbulento Turbulento

NOTA: Para este cuadro, en la columna de “Flujo Observado” no se llego a observar como es que se daba el flujo laminar, ya que a la hora de vaciar el tinte por el embudo de la parte superior, no se podía ajustar la llave, por lo que solo se mostraba un fluido turbulento, pero se indico por parte del profesor que el fluido solo debería salir una linea.

A continuación tenemos la grafica V-Re:

130

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 5 10 15 20 25

Serie1

Lineal (Serie1)

210 210210210210

GRAFICAV vs. Re


CONCLUSIONES

Se noto que el flujo laminar se desplaza en capas o laminas continuas, a bajas velocidades

Se observo que el flujo turbulento se realiza en forma caótica y a altas velocidades.

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Se demostró que el flujo de transición esta entre un flujo laminar y turbulento.

La velocidad de un fluido influye en su tipo de flujo.

En el experimento se pudo tener algunos errores debido a la antigüedad que tienen los materiales

Se demostró experimentalmente el número de Reynolds con relación a los tipos de flujos, los flujos observados fueron igual a los obtenidos por el numero de Reynolds.

BIBLIOGRAFÍA

Libros y Separatas:

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Mecánica de Fluidos- Irving Shames

Mecánica de Fluidos (Irving H. Shames, McGraw-Hill, 3ra Ed)

Experimentos de Mecánica De Fluidos-Alejoz Z. Romero

Mecánica de Fluidos –Ing. Mario García Pérez-Pág.31-34

Páginas de Internet:

http://es.wikipedia.org/wiki/CurvadeReynolds

http://www.elrincondelvago.com

http://www.monografias.com

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