PROPOSITO Distinguir los distintos tipos de régimen hidráulico en tubería a presión. Reproducir el experimento de Reynolds para la caracterización del flujo. Aplicar el número de Reynolds para clasificar el flujo. EQUIPO DEPOSITO DECOLORANTE CRONOMETRO DEPOSITO CENTRAL Y PRINCIPAL TUBO VERTICAL INTERIOR DE VIDRIO ESTRUCTURA DE SOPORTE PROBETA CONSIDERACIONES TEORICAS FLUJO LAMINAR. En el flujo laminar las partículas fluidas se mueven según las trayectorias paralelas formando el conjunto de capas o laminas. Los módulos de velocidades de capa adyacentes no tienen el mismo valor. El flujo laminar está gobernado por la ley que relaciona la tensión cortante con la velocidad de deformación angular, es decir, la tensión cortante es igual al producto de la viscosidad del flujo por el gradiente de las velocidades o bien La viscosidad del fluido es la magnitud física predominante y su acción amortigua cualquier tendencia a la tubería. FLUJO TURBULENTO. En el flujo turbulento las partículas fluidas se mueven de forma desordenada en todas las direcciones. Es imposible conocer la trayectoria de una partícula individualmente. NÚMERO DE REYNOLDS El número de Reynolds es un número adimensional utilizado en mecánica de fluidos, diseño de reactores y fenómenos de transporte para caracterizar el movimiento de un 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. Los diferentes regímenes de flujo y la asignación de valores numéricos de cada uno fueron reportados por primera vez por Osborne Reynolds en 1883. Este número recibe su nombre en su honor (UI). Reynolds observó que el tipo de flujo adquirido por un líquido que fluye dentro de una tubería, depende de la velocidad del líquido, el diámetro de la tubería y de algunas propiedades físicas del fluido (UI). Así, el número de Reynolds es un número adimensional que relaciona las propiedades físicas del fluido, su velocidad y la geometría del ducto por el que fluye y está dado por siguiente fórmula: La ecuación señala que el carácter del flujo en un conducto redondo depende de 4 variables: la densidad del flujo ρ, la viscosidad del flujo µ, el diámetro del conducto D y la velocidad promedio del flujo v. (UI). Este es un número adimensional que caracteriza, en la dinámica de fluidos, la corriente del fluido. Se utiliza para estudiar su movimiento en el interior de una tubería, o alrededor de un obstáculo sólido (UI). Es la relación entre la fuerza de inercia y la fuerza de rozamiento interna de un líquido. Se representa por Re (UI). Muchos de los fluidos de interés en la ingeniería, entre los que se incluyen el aire y el agua, poseen un coeficiente de viscosidad cinemática tan pequeño, que el número de Reynolds, para la mayoría de los movimientos de estos fluidos, es mucho mayor que la unidad. El número de Reynolds mide la importancia relativa entre las fuerzas de inercia convectivas y las de viscosidad (Barrero y PérezSaborld, 2005). Los flujos son especialmente importantes para los ingenieros. El flujo en un tubo circular es sin duda el flujo interno más común de fluidos, existe en las venas y arterias de un cuerpo, en el sistema de agua en una ciudad, en el sistema de riego de un agricultor, en los sistemas de tuberías que transportan fluidos en una fábrica, en las líneas hidráulicas de un avión y en el chorro de tinta de la impresora de una computadora (Potter y Wiggert, 1998). Los flujos que tienen un Número de Reynolds grande, típicamente debido a una alta velocidad o a una baja viscosidad, o ambas, tienden a ser turbulentos. Aquéllos fluidos que poseen una alta viscosidad y/o que se mueven a bajas velocidades tendrán un Número de Reynolds pequeño y como consecuencia tenderán a ser laminares (Cengel y Cimbala, 2006; Mott, 1996). Experimento del Número de Reynolds: A mediados del siglo XIX, se fueron presentando avances fundamentales: El Físico Jean Poiseuille (1799-1869) había medido con exactitud el flujo en tubos capilares para múltiples fluidos, mientras que, en Alemania, Gothilf Hagen (17971884) había establecido la diferencia entre el flujo laminar y el turbulento en tubos. En Inglaterra, Lord Osborn Reynolds (1842-1912) continuó con este trabajo y desarrolló el número adimensional que lleva su nombre. El experimento consiste en inyectar pequeñas cantidades de fluido coloreado en un líquido que circula por una tubería de cristal y Osborne Reynolds observó el comportamiento de los filamentos coloreados en diferentes zonas, después de los puntos de inyección. Características de cada uno de los Regímenes de Flujo de acuerdo al científico Osborne Reynolds. Además, el número de Reynolds permite predecir el carácter turbulento o laminar en ciertos casos. Así por ejemplo en conductos si el número de Reynolds es menor de 2100 el flujo será laminar y si es mayor de 4100 el flujo será turbulento. El mecanismo y muchas de las razones por las cuales un flujo es laminar o turbulento es todavía hoy objeto de especulación. Para valores de Re ≤ 2100, el flujo se mantiene estacionario y se comporta como si estuviera formado por láminas delgadas o capas, que interactúan solo en base a esfuerzos tangenciales, por eso a este flujo se le llama flujo laminar. El colorante introducido en el flujo se mueve siguiendo una delgada línea paralela a las paredes del tubo como se nuestra en la figura. Para valores de 2100 < Re < 4100, la línea del colorante pierde estabilidad formando pequeñas ondulaciones variables en el tiempo, es imposible de predecir que tipo de flujo existe, manteniéndose sin embargo delgada. Este régimen se denomina de Zona de Transición o Región Critica, como se nuestra en la figura. Para valores de Re ≥ 4100, después de un pequeño tramo inicial con oscilaciones variables, el flujo se dispersa hasta que adquiera un movimiento de torbellino en el que se forma corrientes cruzadas y remolinos, el colorante tiende a difundirse en todo el flujo. Este régimen es llamado flujo turbulento, es decir caracterizado por un movimiento desordenado, no estacionario y tridimensional, como se muestra en la figura. Este grupo adimensional es uno de los parámetros más utilizados en los diversos campos de la Ingeniería Química en los que se presentan fluidos en movimiento. Si se tiene un flujo en régimen laminar, la velocidad del fluido es máxima en el eje de la tubería y disminuye rápidamente hasta anularse en la pared de la tubería. Pero, si es un flujo en régimen turbulento; a pesar de que existe un movimiento turbulento a través de la mayor parte del diámetro de la tubería, siempre hay una pequeña capa de fluido en la pared de la tubería, conocida como la “capa periférica” o “subcapa laminar”, que se mueve en régimen laminar. PROCEDIMIENTO Se trabajará de la siguiente manera: Inicialmente se establece un caudal y un nivel de agua constante en el depósito de alimentación, el ajuste se efectúa con la válvula al pie del equipo Se procede a la regulación del colorante inyectado utilizando la válvula de aguja en el deposito decolorante Para cada punto de regulación se medirá gravimétricamente el caudal por medio de un recipiente, una balanza y un cronometro Para cada caudal se obtendrá el número de Reynolds relacionándolo con el comportamiento del flujo observado A partir de los resultados numéricos y la observación se obtendrán unos límites experimentales Por la naturaleza de las experiencias este caudal debe de ser constante y basta para ello que el rebosadero actué continuamente También es conveniente que el deposito decolorante este lo más lleno posible para que la cantidad de colorante sea máxima si se quiere menor cantidad puede regularse con la válvula de aguja Por último, el capilar de inyección debe coincidir con el centro de la entrada acampanada del tubo Después pasamos a visualizar en el equipo el comportamiento del fluido, partiremos de velocidades bajas incrementando progresivamente el caudal, cuando la velocidad del agua sea muy baja el hilo del colorante será perfectamente nítido hecho indicativo de que estamos en un régimen de flujo laminar, se tiene un hilo recto y con pocas fluctuaciones. Si la velocidad del agua aumenta comienza a perderse la nitidez del hilo de colorante, el hilo se altera y oscila su traza, tenemos el régimen de flujo de transición. Finalmente, cuando se continúa aumentando las velocidades de circulación llega un momento en el que el hilo de colorante se rompe completamente alcanzando el régimen de flujo turbulento. Al mismo tiempo que se coloca la probeta bajo el chorro se pone en marcha el cronometro y se espera a recoger el mayor volumen de agua posible luego al mismo tiempo que se separa la probeta se para el cronometro, la medida de cualquier caudal hay que hacerla 3 veces para obtener un valor medio que elimine en parte los errores de medida. CÁLCULOS Y RESULTADOS: DATOS: REGIMEN LAMINAR TRANSICION TURBULENTO VOLUMEN(m3) 0.0002 0.00025 0.0004 TIEMPO(S) 69.3 10 12 HALLAR EL CAUDAL: Teniendo en cuenta los datos simulados calculamos con la siguiente formula. a) REGIMEN LAMINAR: b) REGIMEN TRANSICION: c) REGIMEN TURBULENTO: VELOCIDAD: Para hallar la velocidad del fluido en cada régimen se tiene en cuenta el diámetro interior del tubo el cual tiene un valor de 11mm. De este modo se tiene que el área del tubo es 9.503*10−5 𝑚2 como se muestra a continuación: Para hallar la velocidad se aplica la siguiente formula: a) REGIMEN LAMINAR: b) REGIMEN TRANSICION: c) REGIMEN TURBULENTO: NUMERO DE REYNOLDS: Para hallar el número de Reynolds se tiene en cuenta la velocidad de cada régimen, el diámetro de la tubería (0.011m) y la viscosidad cinemática del fluido que en este caso es agua a 15°C que corresponde a un valor de 1.15*10−6 𝑚2 /𝑠 a) REGIMEN LAMINAR: b) REGIMEN TRANSICION: c) REGIMEN TURBULENTO: CUADRO RESUMEN: BIBLIOGRAFIA Universitat Politècnica de València – UPV, 29 sep. 2011, Experimento de Reynolds.© UPV Angie Carrasco, 15 de diciembre de 2017, experimento de Reynolds, flujo turbulento, flujo laminar. HOJA DE DATOS Los datos obtenidos son simulación del ensayo de numero de Reynolds para poder aplicar las formulas y saber el tipo de régimen: REGIMEN LAMINAR TRANSICION TURBULENTO VOLUMEN(m3) 0.0002 0.00025 0.0004 TIEMPO(S) 69.3 10 12 LABORATORIO DE MECANICA DE FLUIDOS I Nombre del año: "Año de la lucha contra la corrupción e impunidad" Facultad: Ingeniería y Arquitectura Carrera Profesional: Ingeniería Civil Docente: Ing. Berlanga Barrios, Manuel Julio Ciclo: VI Año: 2019 UNIVERSIDAD SAN MARTIN DE PORRES FACULTAD DE INGENIERÍAS Y ARQUITECTURA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL INFORME “NÚMERO DE REYNOLDS” PRESENTADO POR LOS ALUMNOS: Cuadros Jiménez, Alice A. Díaz Torres, Enrique M. AREQUIPA-PERÚ 2019
