Guía de Práctica: Visualización de Flujos Laminar y Turbulento

Universidad de San Carlos de Guatemala
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Civil
Laboratorio de Hidráulica
Instructores: Ing. Carlos Salvador Gordillo
Ing. Luis Portillo
Ing. Andy Williams Alonso
Práctica No. 1: Visualización de Flujos Laminar y Turbulento
1. Introducción: La primera observación de los tipos de escurrimiento en el interior de una tubería fue
realizada por Osborne Reynolds en el año 1874. La investigación científica de Osborne Reynolds cubrió
un amplio abanico de fenómenos físicos y de ingeniería, y estableció los fundamentos de muchos
trabajos posteriores sobre flujos turbulentos, modelización hidráulica, transferencia de calor y fricción.
Sus estudios sobre el origen de la turbulencia constituyen un clásico en la Mecánica de Fluidos, como
se deduce a partir del uso general hoy en día de términos tales como número de Reynolds. Entre sus
mayores logros figuran sus ensayos de visualización de los flujos laminar y turbulento en conductos, y
su análisis sobre los parámetros de dependencia de la transición a régimen turbulento, los cuales
fueron publicados por vez primera en 1883, en una revista científica. La fotografía de la figura 1
muestran el tanque en el que Reynolds llevó a cabo sus ensayos, el cual se conserva en la actualidad
en la Universidad de Manchester, aún en estado operativo.
Para visualizar las características de los flujos laminar y
turbulento, Reynolds empleó un colorante inyectado en
una corriente de agua. Según muestra la instalación
Figura 1, del interior del tanque de Reynolds (que está
elevado respecto al suelo), parte un conducto
transparente horizontal que, ya fuera del tanque, va
conectado a una tubería descendente de desagüe.
Debido al desnivel entre la superficie libre del tanque y
el desagüe, por esta conducción circula agua. Al final
de la tubería hay una válvula de regulación para
controlar el caudal de agua desalojado (es decir, la
velocidad de la corriente)
En ese dispositivo, el agua se introduce en el conducto
horizontal a través de una boquilla o embudo, con el
objeto de facilitar una circulación del agua muy regular.
En la zona de la boquilla se encuentra el inyector de
colorante, alimentado desde un pequeño depósito
exterior a través de una manguera.
Figura 1
2. El objetivo de esta práctica es observar las características de los regímenes de flujo laminar y turbulento
en un conducto, así como la transición entre ambos, reproduciendo el experimento original de Osborne
Reynolds, y estudiando el efecto de los parámetros de dependencia.
3. Tipos de flujo en una tubería: Reynolds, mediante experimentación, demostró que el tipo de flujo en una
tubería se comporta diferente según la forma de su movimiento, como muestra la figura 2, siendo ellos:
3.1 Flujo laminar: es aquél en el que el fluido se
mueve en capas o láminas, deslizándose
suavemente unas sobre otras sin que se produzca
movimiento transversal. Cualquier tendencia hacia
la inestabilidad se amortigua por la acción de las
fuerzas viscosas que se oponen al movimiento
relativo de las capas del fluido adyacentes entre sí.
Es un movimiento ordenado y uniforme que se
presenta para velocidades bajas. El movimiento es
gobernado por las fuerzas viscosas.
3.2 Flujo turbulento: es aquél en el que el fluido se
mueve en forma desordenada, errática, existe
intercambio transversal de movimiento, las
partículas colisionan entre sí. Es un movimiento
desordenado y se presenta para velocidades altas.
El movimiento es gobernado por las fuerzas de
inercia.
3.3 Flujo en transición: La transformación de un flujo
laminar a turbulento o viceversa se le conoce como
flujo en transición y sucede con un aumento o
disminución de la velocidad respectivamente,
Figura 2
En base a innumerables experimentos Osborne Reynolds concluyó que el tipo de flujo en una tubería
dependía de la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas, mediante el siguiente valor:
Posteriormente esa relación o parámetro fue conocido como número de Reynolds, así:
Donde, en el sistema métrico técnico:
V
es la velocidad media del flujo, en m/s.
D
es el diámetro interior de la tubería, en m.
ρ
es la densidad del fluido, en (Kg seg2/m) o UTM/m3.
µ
es la viscosidad absoluta o dinámica, en kg.seg/m2.
es la viscodad cinemática, en m2/seg.
El análisis dimensional del número de Reynolds indica que éste es adimensional, es decir:
[ ]
[
]
Reynolds, mediante experimentación, comprobó que cuando el comportamiento del flujo es laminar el valor
del parámetro es menor que 2000 y que cuando el comportamiento es turbulento el valor del parámetro es
mayor que 4000, existe una zona de transición, como paso de un tipo de régimen a otro, en el cual no se
puede identificar con exactitud el tipo de régimen. Esta zona se denomina régimen crítico o de transición y
está comprendida entre 2000 y 4000 para los números de Reynolds.
Instructivo de Práctica
4. Equipo:
El equipo Demostración de Osborne
Reynolds Horizontal, está montado sobre
una estructura de aluminio y está formado
por: una tubería de ensayo de acrílico con
una sección de entrada aerodinámica, un
depósito de alimentación de agua, un
depósito de tinta con su válvula y una
aguja de inyección, una válvula de
regulación que permite ajustar el caudal de
agua en los experimentos. Ver figura 3.
Figura 3
5.
Ensayos a realizar:
 Observación del régimen laminar, de transición y turbulento en un flujo de agua.
 Asociar los regímenes laminar, de transición y turbulento con su correspondiente número de
Reynolds.
 Observación del perfil parabólico de velocidades.
5.1 Experimento 1: Observación del régimen laminar, de transición y turbulento en un flujo
Objetivo: Determinar visualmente las características del régimen laminar, de transición y turbulento en un
flujo de agua.
 Si la traza del colorante es una línea recta a través de toda la tubería indica que las partículas se
mueven en capas o láminas, deslizándose suavemente unas sobre otras. Este es el caso de flujo
lámina.
 Si la línea del colorante comienza a oscilar y el movimiento no es uniforme, se está en presencia del
flujo en transición.
 Si el colorante muestra movimientos desordenados y rompimiento o desaparición al mezclarse con
el agua, el flujo será turbulento.
Cuestiones:
C1. ¿A qué se debe la aparición del flujo turbulento?
C.2 ¿En cuál de los tres regímenes es más adecuado si queremos que el fluido sea lo más homogéneo
posible?
5.2 Experimento 2: Clasificación de los distintos tipos de regímenes en función del número de
Reynolds
Objetivo: Relacionar el valor del número de Reynolds con cada uno de los regímenes, laminar, transición y
turbulento.
 Para determinar el número de Reynolds es necesario medir, con el equipo experimental, el diámetro
de la tubería, la viscosidad cinemática del agua y su velocidad en el interior de la tubería.
 La viscosidad cinemática del agua depende de la temperatura. Estos valores se encuentran
tabulados en los textos de mecánica de fluidos, con un termómetro determine la temperatura para
cada volumen aforado.
 La determinación de la velocidad media del agua se realiza a partir del caudal, medido
experimentalmente con el método de aforo volumétrico y empleando la ecuación de continuidad:
Por definición, se entiende como caudal o gasto Q, la cantidad de volumen de agua que pasa por una
determinada sección transversal en una unidad de tiempo, lo cual queda expresado como:
Donde, en el sistema métrico técnico,
Q es el caudal, en m3/seg.
es el volumen, en m3.
t es el tiempo, segundos.
Utilizando la ecuación de continuidad, despejamos y calculamos la velocidad media del flujo:
⁄
( )
Cuestiones:
C3. ¿Qué comportamiento tiene el número de Reynolds con el aumento de la velocidad?
C4. ¿Hasta qué número de Reynolds se puede obtener flujo laminar?
C5. ¿Desde qué rangos del número de Reynolds obtenemos flujo de transición?
C6. ¿A partir de qué número de Reynolds aparece el flujo turbulento?
C7. ¿Tienen coherencia estos resultados con los obtenidos por Osborne Reynolds?
5.3 Experimento 3: Visualización del perfil parabólico de velocidades
Objetivo: Visualizar el perfil de velocidades típico de un fluido circulando por el interior de una tubería.
Realice un esquema de la forma del perfil de velocidades en el interior del tubo.
 Perfil parabólico de velocidades:
La propiedad definitoria de los fluidos
es su comportamiento frente a una
fuerza de cizalla (una fuerza tangencial
a su superficie), mientras que en un
sólido se deforma en la dirección de la
fuerza, un fluido adquiere una
velocidad en dicha dirección. No
obstante, debido al rozamiento entre
las distintas capas del fluido provoca
que no todo él adquiera la misma
Figura 4
velocidad. El caso más sencillo (conocido como perfil de Coutte) es el de un líquido comprendido entre
dos láminas paralelas, una de las cuales está fija, mientras que la otra se mueve arrastrando al líquido
con ella. El resultado del perfil de velocidades, considerando móvil la placa superior, sería algo similar al
mostrado en la figura 4.
 En el caso de una tubería, se ha aplicado
sobre el fluido una diferencia de presiones
que lo pone en movimiento. El rozamiento
con las paredes impone que justo sobre ellas
la velocidad es nula, y esta va aumentando a
medida que nos acercamos al centro del
tubo, lo que produce el denominado perfil
parabólico de velocidades (o de Poiseuille),
con un máximo en el eje central y un valor
nulo sobre las paredes, ver la figura 5.
Figura 5
6. Presentación de resultados:
6.1 Calcular, en forma tabulada, el caudal, la velocidad y los números de Reynolds para todos los
casos.
6.2 Calcular el número de Reynolds crítico o de transición, promediando los valores obtenidos en
cada experimento.
6.3 Graficar los valores del número de Reynolds, en el eje horizontal y la velocidad media, en el eje
vertical.
6.4 Discutir las razones por las cuales en instalaciones civiles (acueductos, oleoductos, etc.) es raro
que se presente régimen laminar. Dar un ejemplo de instalaciones en las cuales se podría
esperar régimen laminar.
Tabla de mediciones
Diámetro interno de la tubería: _16_ mm
Experimento
No.
Volumen
aforado (cm3)
1
250
2
250
3
500
4
500
5
1000
6
1000
Tiempo de
llenado (seg)
Temperatura
(°C)
Características de flujo observadas
Temperatura media =
Tabla de cálculos
Viscosidad cinemática del agua = ________________
Experimento
No.
1
2
3
4
5
6
Caudal, Q
(cm3/seg)
Velocidad
media del flujo,
V (m/seg)
Número de
Reynodls, R
Tipo de flujo que se presentó