CURSO: MECÁNICA DE FLUIDOS DOCENTE: Ms. RICARDO NARVAEZ ARANDA

PRACTICA DE LABORATORIO Nº 01:

CUBA DE REYNOLDS

1. INTRODUCCIÓN

Una de las constantes preocupaciones de los ingenieros es la predicción,

conocimiento y manejo del flujo de los fluidos para adecuarlos al tipo de

operación requerido. Esto requiere que los patrones de flujo sean estables o

inestables en el tiempo, lo que lleva al mismo tiempo a instruir sobre tipos de

flujos: “Laminar” o “Turbulento”.

La razón por la cual el flujo puede ser laminar o turbulento tiene que ver lo que

sucede ante una alteración pequeña de flujo, esto es una perturbación al vector

velocidad, según esto, cuando una perturbación afecta a una partícula, esta

tiene dos alternativas: Incrementar solo en el sentido del flujo, en este caso se

dice que el patrón de flujo al que pertenece la partícula es laminar por cuanto

no existe componentes en la dirección transversal que haga que las partículas

se mezcle con las colindantes; si la perturbación afecta al vector velocidad de

modo que tenga un componente normal a la dirección del flujo, la partícula

inevitablemente se mezclará con el resto del fluido denominándose entonces a

este tipo de flujo “flujo turbulento”

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2. OBJETIVOS

El objetivo principal de esta experiencia es la visualización de flujos en

diferentes regímenes de escurrimiento, diferenciando el flujo laminar

(flujo ordenado, lento) del flujo turbulento (flujo desordenado, rápido).

N

Demostrar que cualquier flujo necesariamente depende de tres

parámetros para definir su correspondiente, estos son: la velocidad,

longitud geométrica característica que en el caso de tubería puede ser

un diámetro, su viscosidad cinemática que a su vez depende de la

temperatura. Una cifra adimensional que reúne estos tres parámetros es

el “Nº de Reynolds”.

3. FUNDAMENTO TEORICO

DEFINICIÓN DE FLUIDO

Un fluido es una sustancia que cede inmediatamente a cualquier fuerza

tendente a alterar su forma, con lo que fluye y se adapta a la forma del

recipiente. Los fluidos pueden ser líquidos o gases. Las partículas que

componen un líquido no están rígidamente adheridas entre sí, pero están

más unidas que las de un gas. El volumen de un líquido contenido en un

recipiente hermético permanece constante, y el líquido tiene una superficie

límite definida. En contraste, un gas no tiene límite natural, y se expande y

difunde en el aire disminuyendo su densidad. A veces resulta difícil

distinguir entre sólidos y fluidos, porque los sólidos pueden fluir muy

lentamente cuando están sometidos a presión, como ocurre por ejemplo en

los glaciares.

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CAUDAL: Es la cantidad de fluido que pasa en una unidad de tiempo.

Normalmente se identifica con el flujo volumétrico o volumen que pasa por

un área dada en la unidad de tiempo.

VISCOSIDAD

Propiedad de un fluido que tiende a oponerse a su flujo cuando se le aplica

una fuerza. Los fluidos de alta viscosidad presentan una cierta resistencia a

fluir; los fluidos de baja viscosidad fluyen con facilidad. La fuerza con la que

una capa de fluido en movimiento arrastra consigo a las capas adyacentes

de fluido determina su viscosidad, que se mide con un recipiente

(viscosímetro) que tiene un orificio de tamaño conocido en el fondo. La

velocidad con la que el fluido sale por el orificio es una medida de su

viscosidad.

La viscosidad de un fluido disminuye con la reducción de densidad que

tiene lugar al aumentar la temperatura. En un fluido menos denso hay

menos moléculas por unidad de volumen que puedan transferir impulso

desde la capa en movimiento hasta la capa estacionaria. Esto, a su vez,

afecta a la velocidad de las distintas capas. El momento se transfiere con

más dificultad entre las capas, y la viscosidad disminuye. En algunos

líquidos, el aumento de la velocidad molecular compensa la reducción de la

densidad.

FLUJO VISCOSO Y NO VISCOSO

Flujo viscoso: Es aquel en el que los efectos de la viscosidad son tan

importantes y no se pueden despreciar.

Flujo no viscoso: es aquel en el que los efectos de la viscosidad no

afectan significativamente el flujo y por lo tanto no se toma en cuenta.

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CARACTERÍSTICAS DEL FLUJO

El flujo de los fluidos puede clasificarse de la siguiente manera:

A. 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 cortante más aún es realmente

el resultado de una transferencia de momento molecular, de fuerzas

intermoleculares o de ambas cosas.

B. Flujo Transicional

El flujo laminar se transforma en turbulento en un proceso conocido

como transición; a medida que asciende el flujo laminar se convierte en

inestable por mecanismos que no se comprenden totalmente. Estas

inestabilidades crecen y el flujo se hace turbulento.

C. 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

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cercanas a la parte inferior de la pared del canal es el resultado del

mezclado del flujo turbulento en esa zona.

Nº de REYNOLDS

El número de Reynolds (Re) es un número a dimensional utilizado en

mecánica de fluidos, diseño de reactores y fenómenos de transporte

para caracterizar el movimiento de un fluido. Este número recibe su

nombre en honor de Osborne Reynolds (1842-1912), quien lo describió

en 1883.

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.

Para R (2300 (máximo para flujo laminar en una tubería) la mayoría de las

situaciones de ingeniería pueden considerarse como “no perturbadas”,

aunque en el laboratorio no es posible obtener un flujo laminar a números

de Reynolds más elevados. Para R (4000 mínimo para el flujo turbulento

estable en una tubería) este tipo de flujo se da en la mayoría de

aplicaciones de ingeniería.

O equivalentemente por:

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Donde:

ρ : densidad del fluido

vs : velocidad característica del fluido

D : Diámetro de la tubería a través de la cual circula el fluido o longitud

característica del sistema.

μ : viscosidad dinámica del fluido

ν : viscosidad cinemática del fluido

Como todo número adimensional es un cociente, una comparación. En

este caso es la relación entre los términos convectivos y los términos

viscosos de las ecuaciones de Navier-Stokes que gobiernan el

movimiento de los fluidos.

Por ejemplo un flujo con un número de Reynolds alrededor de 100.000

(típico en el movimiento de una aeronave pequeña, salvo en zonas

próximas a la capa límite expresa que las fuerzas viscosas son 100.000

veces menores que las fuerzas convectivas, y por lo tanto aquellas

pueden ser ignoradas. Un ejemplo del caso contrario sería un cojinete

axial lubricado con un fluido y sometido a una cierta carga. En este caso

el número de Reynolds es mucho menor que 1 indicando que ahora las

fuerzas dominantes son las viscosas y por lo tanto las convectivas pueden

despreciarse. Otro ejemplo: En el análisis del movimiento de fluidos en el

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interior de conductos proporciona una indicación de la pérdida de carga

causada por efectos viscosos.

4. MATERIALES E INSTRUMENTOS

MATERIALES CARACTERISTICA /CANTIDAD

INSTRUMENTO CARACTERISTICA/PRECISION

5. PROCEDIMIENTO

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Llenar la Cuba de Reynolds con agua y esperar que cese cualquier

clase de movimiento, y mantenerlo a un mismo nivel, marcado

anteriormente.

Abrir la válvula de salida del tubo de vidrio y luego abrir la válvula del

inyector de colorante y observar su comportamiento, si se mantiene a

modo de un hilo colorecido extendido en toda la extensión del tubo se

estará ante un flujo laminar

Para diferentes aperturas de la válvula de salida del tubo de vidrio medir

un volumen Vo en un tiempo “t” para obtener el caudal.

Q=Vot

¿

Determinar para cada medida la velocidad del flujo en la siguiente

fórmula:

V= 4Q

π D2Con los diferentes valores de la velocidad y la temperatura

calcular el Nº de Reynolds.

6. CÁLCULOS

Datos iniciales:

Descripción Cantidad /valor Unidad

Diámetro

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Volumen Inicial

Viscosidad

Procesamiento de datos

7. RESULTADOS

7.1Calculo de flujo laminar:

N° Temp

(°C)

Viscosidad

(Stokes)

Volumen

(m3)

Tiempo

(s)

Caudal

(m3/s)

Velocidad

(m/s)

Nº

Reynods

Tipo de

Flujo

1

2

3

4

5

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Promedio

7.2 Calculo de flujo turbulento:

N° Temp

(°C)

Viscosidad

(Stokes)

Volumen

(m3)

Tiempo

(s)

Caudal

(m3/s)

Velocidad

(m/s)

Nº

Reynolds

Tipo de

Flujo

1

2

3

4

5

Promedio

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8. CUESTIONARIO

- Ubique en un plano f vs Re, los cinco campos de flujo: laminar, critico,

turbulento liso, transitorio y turbulento rugoso.

- Comparar los Re hallados con los recomendados por los textos, si

hubiera discrepancia en lo referente a los valores para la definición

de un flujo laminar y un flujo turbulento dar una explicación desde el

punto de vista personal.

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- Explicar porque un flujo es laminar o turbulento.

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- Ubicar en un diagrama de Moody los valores experimentales hallados

de Re y explique la razón si es que existe dificultad.

9. CONCLUSIONES

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10.RECOMENDACIONES

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11.BIBLIOGRAFIA

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