UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA

TITULO:

RESUMEN

En la experiencia de Mecnica de Fluidos I, hemos trabajado con una serie de instrumentos entre ellos, Cronometro, agua, violeta de genciana cuba de Reynolds, etc. Con la finalidad de demostrar los tipos de flujos que pueden presentarse en el ensayo de laboratorio llamado cuba de Osborne Reynolds. El experimento de Reynolds consiste en determinar los factores que afectan el movimiento de un fluido y en qu forma lo afectan. El movimiento de un fluido puede ser sinuoso (turbulento) o directo (laminar) dependiendo de: La viscosidad, La velocidad y La longitud caracterstica.El ensayo se realizo de manera rpida y cmoda, haciendo los apuntes necesarios sobre el ensayo, es decir: tiempos, volmenes, medidas de la cuba de Reynolds y los dimetros de la tubera y del cao. Para luego presentar los diferentes tipos de flujos mediante el numero de Reynolds calculado con los datos de la practica ensayada.

I. INTRODUCCION:

El presente Informe de Mecnica de los Fluidos tiene por finalidad dar a conocer cmo se puede distinguir o determinar los diferentes tipos de flujos en el ensayo denominado cuba de Reynolds. Es decir observar las caractersticas de los regmenes de flujo laminar y turbulento en un conducto, as como la transicin entre ambos (flujo transitorio), reproduciendo el experimento original de Osborne Reynolds, y estudiando el efecto de los parmetros de dependencia.

El Nmero de Reynolds permite caracterizar la naturaleza del flujo, es decir, si se trata de un flujo laminar o de un flujo turbulento, adems, indica la importancia relativa de la tendencia del flujo hacia un rgimen turbulento respecto de uno laminar y la posicin relativa de este estado dentro de una longitud determinada.

Este nmero es adimensional y puede utilizarse para definir las caractersticas del flujo dentro de una tubera. El nmero de Reynolds proporciona una indicacin de la prdida de energa causada por efectos viscosos.

II. OBJETIVOS:

Objetivo general:

Visualizar y distinguir los distintos tipos de flujos: laminar, transitorio y turbulento; en el famoso ensayo de Osborne Reynolds.

Objetivo especfico: Estudio, visualizacin y determinacin del Nmero de Reynolds en: rgimen laminar. rgimen de transicin. rgimen turbulento.

III. MARCO TEORICO

1. EL NMERO DE REYNOLDS

a) DEFINICIONES Reynolds descubri que la existencia de uno u otro tipo de flujo depende del valor que toma una agrupacin adimensional de variables relevantes del flujo, parmetro al que se denomina en su honor como nmero de Reynolds. Se define el nmero de Reynolds, designado como Re, como:

Donde: v: la velocidad media del flujo (), el dimetro y, la viscosidad cinemtica del fluido.

El nmero de Reynolds es la relacin entre las fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas de la corriente fluida. Esta relacin es la que determina la inestabilidad del flujo que conduce a un rgimen turbulento. En todos los flujos existe un valor de este parmetro para el cual se produce la transicin de flujo laminar a flujo turbulento, habitualmente denominado nmero de Reynolds crtico. Generalmente para flujo en tubos se establecen los siguientes valores crticos del nmero de Reynolds:

Si , el flujo es laminar. Entre , existe una zona de transicin de flujo laminar a turbulento. Si el flujo es turbulento.

El experimento de Reynolds consiste en determinar los factores que afectan el movimiento de un fluido y en qu forma lo afectan. El movimiento de un fluido puede ser sinuoso (turbulento) o directo (laminar) dependiendo de: La viscosidad, La velocidad y La longitud caracterstica.

b) ANALOGIA DE REYNOLDS

Reynolds hace la siguiente analoga: "Las circunstancias que determinan si el movimiento de tropas ser una marcha o una confusin se parecen mucho a aquellas que determinan si el movimiento ser directo o sinuoso. En ambos casos existe cierta influencia necesaria para el orden: con las tropas es la disciplina; con el agua, su viscosidad o aglutinacin. Cuanto mejor sea la disciplina de las tropas, o bien ms glutinoso sea el fluido, menos probable es que el movimiento regular se altere en alguna ocasin. Por otro lado; velocidad y tamao son en ambos casos favorables a la inestabilidad: tanto ms grande es la armada y ms rpidas sus evoluciones tanto mayor es la oportunidad de desorden; as como el fluido, cuanto ms ancho sea el canal y ms rpida la velocidad tanto mayor es la probabilidad de remolinos." Con esto Reynolds concluye que la condicin natural de un fluido no es el orden sino el desorden. En una longitud dada de tubera horizontal de dimetro constante por la cual circula un fluido bajo presin, la prdida de energa se da como la diferencia de cabeza de presin entre los dos puntos de inters. Prdidas de energa (hf) = h1 - h2, Donde la cabeza de presin en un punto se da como la presin en ese punto sobre el peso especfico del fluido.

2. TIPOS DE FLUJOS:INTRODUCCION:El tipo de flujo que se presenta en el desplazamiento de un fluido por un canal es muy importante en los problemas de dinmica de fluidos. Es por ello Cuando la velocidad de flujo es baja, su desplazamiento es uniforme. Sin embargo, cuando la velocidad es bastante alta, se observa una corriente inestable en la que se forma remolinos o pequeos paquetes de partculas de fluido que se mueven en todas las direcciones y con gran diversidad de ngulos con respecto a la direccin normal del flujo. El primer tipo de flujo a velocidades bajas donde las capas de fluidos parecen desplazarse una sobre otras sin remolinos o turbulencias, se llama FLUJO LAMINAR y obedece a la ley de la viscosidad de Newton. El segundo tipo de flujo a velocidades ms altas, donde se forman remolinos que impacten al flujo una naturaleza fluctuante, se llama FLUJO TURBULENTO.

a) FLUJO LAMINAR: La ecuacin que gobierna el flujo laminar es la de Poiseuille:Donde= viscosidad dinmica del fluidoL = distancia entre piezmetrosv = velocidad media del fluido= densidad del fluidog = aceleracin de la gravedadD = dimetro interno del conducto

Esta relacin muestra que el gradiente hidrulico (hf/L) es directamente proporcional a la velocidad media del flujo (hf/Lv). Este flujo suele ocurrir cuando el nmero de Reynolds es menor que 2000, definiendo el nmero de Reynolds (Re):

b) ZONA-TRANSICIN: Esta zona se establece por lo general cuando el numero de Reynolds est entre 2000 y 4000

c) FLUJO TURBULENTO: La ecuacin que gobierna este flujo es la de Darcy Weisbach:

Donde: es el coeficiente de friccin de Darcy. Esta relacin muestra que el gradiente hidrulico hf/L es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad media del flujo (hf/L v2). La relacin entrey Re se puede definir como: = 64/RePara flujo laminar

=0.316*(Re^-0.25)(Ec de Blasius)Para flujo turbulento

El flujo turbulento ocurre cuando el nmero de Reynolds es mayor que 4000.

3. DIFERENCIAS ENTRE FLUJO LAMINAR Y TURBULENTOFLUJO LAMINARFLUJO TURBULENTO

El movimiento es ordenado y en conjunto es realmente estacionario. Su movimiento no es ordenado.

Las fuerzas viscosas de origen molecular son predominantes Las fuerzas viscosas son relativamente importantes.

Las fuerzas de inercia son irrelevantes. Las fuerzas de inercia son dominantes.

4. OTROS FLUJOS:a) FLUJO ESTACIONARIO MY NO ESTACIONARIO: Se da este tipo de flujo cuando las variables que lo caracterizan son constantes en el tiempo. Estas variables ya no dependern del tiempo, como por ejemplo la velocidad la cual puede tener un determinado valor constante, en el punto, pero pudiera cambiar su valor en otro punto. As se cumple que:

Un flujo es no estacionario si las variables fsicas que lo caracterizan dependen del tiempo en todos los puntos del fluido, entonces:

Como en un flujo estacionario la velocidad en un punto es constante en el tiempo, todas las partculas del fluido que llegan a un determinado punto seguirn movindose a lo largo de la lnea de corriente que pasa por ese punto. Por tanto, en este tipo de flujo la trayectoria de las partculas es la propia lnea de corriente y no puede haber dos lneas de corriente que pasen por el mismo punto, es decir, las lneas de corriente no se pueden cruzar. En un flujo estacionario el patrn de las lneas de corriente es constante en el tiempo. Si el flujo no es estacionario, las lneas de corriente pueden cambiar de direccin de un instante a otro, por lo que una partcula puede seguir una lnea de corriente en un instante y al siguiente seguir otra lnea de corriente distinta.

b) FLUJO UNIFORME: Tenemos este tipo de flujo cuando la variable fsica es igual en todos los puntos del flujo. Por ejemplo, en un flujo uniforme la velocidad de todas las partculas es la misma en cualquier instante de tiempo, por tanto, la velocidad no va a depender de la posicin de la partcula de fluido, aunque puede variar en el tiempo:

Cuando las variables fsicas varan de punto a punto, se dice que el flujo es no uniforme.

c) FLUJO UNIDIMENSIONAL: Es un flujo en el que el vector de velocidad slo depende de una variable espacial, es decir que se desprecian los cambios de velocidad transversales a la direccin principal del escurrimiento. Dichos flujos se dan en tuberas largas y rectas o entre placas paralelas.

d) FLUJO BIDIMENSIONAL: Es un flujo en el que el vector velocidad slo depende de dos variables espaciales. En este tipo de flujo se supone que todas las partculas fluyen sobre planos paralelos a lo largo de trayectorias que resultan idnticas si se comparan los planos entre s, no existiendo, por tanto, cambio alguno en direccin perpendicular a los planos.

e) FLUJO IDEAL: Es aquel flujo incompresible y carente de friccin. La hiptesis de un flujo ideal es de gran utilidad al analizar problemas que tengan grandes gastos de fluido, como en el movimiento de un aeroplano o de un submarino. Un fluido que no presente friccin resulta no viscoso y los procesos en que se tenga en cuenta su escurrimiento son reversibles

Experimento De Osborne Reynolds

IV. DESARROLLO DEL ENSAYO.

A. MATERIALES Y EQUIPO:

Aparato de demostracin del experimento de OBSBORNER REYNOLDS. Recipiente medidor de volumen. Cronmetro. Violeta de genciana o Tinta.

B. PROCEDIMIENTOLa prctica se lleva a cabo en un dispositivo experimental ubicado en el laboratorio de Hidrulica de La Universidad Nacional de Cajamarca. La prctica se desarrollar segn los siguientes pasos:

Primero es necesario establecer una velocidad de circulacin del agua en el experimento y establecer un caudal de agua circulante. En la prctica hemos tomado cuatro veces el tiempo con un mismo volumen. ste mtodo de calcular el caudal se llama METODO VOLUMTRICO. Segundo establecer un nivel de agua constante en el tanque.

Luego se coloca el colorante en el deposito

Se procede a la regulacin del colorante inyectado

Luego visualizamos de los diferentes regmenes de flujo que experimenta el agua que circula por el tubo de vidrio del dispositivo experimental. Por ltimo observamos en el tubo de vidrio las formas que se desarrollan.

Flujo Laminar

Flujo Transicin C. DATOS Y RESULTADOS OBTENIDOS EN LABORATORIO Viscosidad cinemtica a 15C es Determinamos el caudal por el mtodo volumtrico para el agua circulante al tanque.Datos:Caudal que ingresa a la cubeta de Reynolds

Nvolumen(l)Tiempo(seg)Caudal (l/seg)velocidad (m/seg)

11.518.140.082691.0528

21.518.470.081211.0340

31.518.320.081881.0425

41.518.630.080521.0251

Promedio18.390.081571.038

Dimetro del cao 0.01 m

rea(m2)7.85398E-05

Velocidad promedio es:

Determinacin del caudal y N Reynolds para el flujo laminar:Datos:Caudal del flujo laminar Re

Nvolumen(l)Tiempo(s)Caudal (l/s)velocidad (m/s)

10.2585.750.002920.04201392.15583

20.2453.280.004500.06491605.89842

30.122.360.004470.06444601.56283

Promedio0.003960.0571533.20569

Dimetro de la tubera 0.0094

rea(m2)6.93978E-05

Temperatura(C)20

VISCOSIDAD CINEMATICA)M2/S)1.01E-06

Su velocidad promedio es:

Calculemos el nmero de Reynolds promedio (Re)

Como observamos el nmero de Reynolds es , entonces es un flujo laminar.

Determinacin del caudal y N Reynolds para el flujo de transicin:Datos:Caudal del flujo transicin Re

Nvolumen(l)Tiempo(s)Caudal (l/s)velocidad (m/s)

10.2510.490.023830.343413205.65894

20.2510.140.024650.355273316.30792

30.523.530.021250.306202858.25434

Promedio0.023250.334963126.74

Dimetro de la tubera0.0094

rea(m2)6.93978E-05

Temperatura(C)20

VISCOSIDAD CINEMATICA)M2/S)1.01E-06

Su velocidad promedio es:

Calculemos el nmero de Reynolds (Re)

Como observamos el nmero de Reynolds esta entre entonces hemos comprobado que es un flujo de transicin de flujo laminar a turbulento.

Determinacin del caudal y N Reynolds para el flujo turbulento:Caudal del flujo turbulentoRe

NTiempo(s)Volumen(l)Caudal (l/s)velocidad (m/s)

17.530.250.033200.478414465.78517

27.280.250.034340.494844619.14317

37.340.250.034060.490794581.38451

Promedio0.033870.488014555.43762

Dimetro de la tubera 0.0094

rea(m2)6.93978E-05

Temperatura(C)20

VISCOSIDAD CINEMATICA)M2/S)1.01E-06

Su velocidad promedio es: Calculemos el nmero de Reynolds (Re);

Como observamos el nmero de Reynolds es entonces hemos comprobado que es un flujo turbulento.

D. ALCANCE A LA PRACTICA:

a) Clculo del factor de friccin.

Para cada uno de los caudales de agua circulante que se establezcan en el experimento, debe calcularse el factor de friccin del tubo de vidrio. Como sabemos, dicho factor de friccin va a depender del nmero de Reynolds y de la rugosidad relativa de la tubera, y se calcula de manera diferente dependiendo de que exista rgimen laminar o turbulento.

EN RGIMEN LAMINAR, el factor de friccin slo depende del nmero de Reynolds, y se calcula a partir de la ecuacin de Poiseuille:

NRe

14465.785170.038656

24619.143170.038331

34581.384510.038409

DIAGRAMA DE MOODY

EN RGIMEN TURBULENTO, el factor de friccin depender adems de la rugosidad relativa de la tubera. No obstante, por tratarse en este caso de una tubera de vidrio, puede considerarse que la tubera es lisa, y el factor de friccin de la misma puede calcularse mediante la frmula de Blasius:

NRe

13205.658940.041996

23316.307920.041641

32858.254340.0432218

DIAGRAMA DE MOODY

V. CONCLUSIONES

El flujos laminar se observa en bajas velocidades del fluido, mientras que el flujo turbulento se observa en altas velocidades del fluido. La turbulencia se origina como una inestabilidad de flujos laminares. Los resultados obtenidos coinciden a la perfeccin con las observaciones realizadas durante la prctica, donde una delgada lnea de violeta de genciana en el tubo denotaba un flujo laminar, mientras que los vrtices de violeta de genciana indicaban un rgimen turbulento. Como era de esperarse, al aumentar la velocidad de flujo se pasa de un rgimen laminar a uno turbulento, y como consecuencia aumenta el nmero de Reynolds y se observa la formacin de vrtices. Los objetivos fueron satisfechos, pues no solo se obtuvieron resultados adecuados, sino que se comprendi adecuadamente la relacin de la velocidad con el rgimen de flujo y los efectos en el nmero de Reynolds.

VI. RECOMENDACIONES

Al observar el cronometro y calcular el tiempo, tener la mxima concentracin posible, ya que si no fuese as no saldra bien los clculos respectivos. Se recomienda realizar la prctica para poder visualizar los tipos de flujos que existen en el experimento de REYNOLDS. Tener mucho cuidado en la manipulacin del tanque de vidrio ya al moverlo lleno de agua pueda que se rompa por la presin del agua.

VII. BIBLIOGRAFIA

Apuntes de clases-Mecnica de Fluidos I-Ing. JOS H. LONGA ALVAREZ. Separata de Mecnica de Fluidos I-Ing. LUIS LEON CHAVEZ Handbook of chemistry and physics 5 t. edition. Autor: Robert .C. Wenot. Pag: D 180. Raymond Chang 6 editions. Pag: D 224. Introduccin al flujo turbulento del Ing. Esteban L. Ibarrola http://es.wikipedia.org/wiki/Flujo_laminar http://artemisa.unicauca.edu.co/~hdulica/fpresion.pdf http://fcm.ens.uabc.mx/~fisica/FISICA_II/APUNTES/FLUJOS.htm http://fluidos.eia.edu.co/tfluidos/guiaslabfluidos/labreynolds.html

Universidad Nacional de CajamarcaFacultad de ingenieraEscuela Acadmico Profesional de Ingeniera Civil.

INFORME N 02TIPOS DE FLUJOSENSAYO CUBA DE REYNOLDS

TEMA: PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

CURSO: MECANICA DE FLUIDOS IDOCENTE:ING. JOSE H. LONGA ALVAREZ.ALUMNO:Henri Johonel Meja Vlchez.

CICLO:QUINTO

Cajamarca, Mayo del 2012Grupo:D

MECANICA DE FLUIDOS I