Lab 01 régimen experimental de flujo en un fluido

FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS ING.MECÁNICA DE FLUIDOS

RÉGIMEN EXPERIMENTAL DE FLUJO EN UN FLUIDO INFORME DE LABORATORIO N° 01

AUTOR: ESWIV ALDO PAIRAZAMÁN AMAYA CODIGO: 982088

PROFESOR: ING. MANUEL VICENTE HERQUINIO ARIAS

Ciudad Universitaria 08/11/2017

1. CONTENIDO

1. CONTENIDO..................................................................................................1 2. INTRODUCCIÓN...........................................................................................2 3. OBJETIVOS...................................................................................................3 1.1.

OBJETIVO GENERAL............................................................................3

1.2.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS...................................................................3

4. MARCO TEÓRICO........................................................................................4 4.1.

VISCOCIDAD..........................................................................................4

4.2.

ECUACIÓN DE CONSERVACIÓN DE MASA........................................5

4.3.

Numero de Reynolds...............................................................................6

5. PROCEDIMIENTO.........................................................................................8 5.1.

MATERIALES, HERRAMIENTAS Y EQUIPOS.......................................8

5.2.

EXPERIMENTACION..............................................................................8

6. RESULTADOS.............................................................................................10 7. CONCLUSIONES.........................................................................................11 8. BIBLIOGRAFIA............................................................................................12 9. ANEXOS......................................................................................................13

2. INTRODUCCIÓN

alguna vez el lector a estadio rodeado por fumadores, quizás habrá observado que el humo de los cigarrillos se eleva en una pluma suave durante los primeros centímetros y luego comienza a fluctuar aleatoriamente en todas direcciones conforme continúa elevándose. Otras plumas se comportan de manera similar. de igual modo, una inspección cuidadosa del flujo en una tubería revela que el flujo de fluidos es de líneas de corriente aproximadamente paralelas a bajas velocidades, pero se vuelve caótico conforme la velocidad aumenta sobre un valor crítico, se dice que es un RÉGIMEN LAMINAR cuando se caracteriza por líneas de corriente suave y movimientos sumamente ordenados; mientras que el REGIMEN TURBULENTO se caracteriza por fluctuaciones de velocidad y movimiento también desordenado. La transición de flujo laminar a turbulento no ocurre repentinamente; más bien sucede sobre cierta región en la que el flujo fluctúa entre flujos laminar y turbulento antes de volverse totalmente turbulento, esta región mantiene un REGIMEN DE TRANSICION. Tomando como referencia el experimento desarrollado por Osborne Reynolds en 1883 con el que observó el comportamiento de las partículas de una tinta dentro de un fluido el cual es sometido a cambios de velocidades, encontraremos los regímenes de flujo de un fluido en este en particular el agua líquida, lo cual pasaremos a detallar a continuación.

3. OBJETIVOS

1.1.

OBJETIVO GENERAL El objetivo general es delimitar cada uno de los regímenes del flujo a partir de la obtención del número de Reynolds partiendo de los datos obtenidos en el laboratorio.

1.2.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS Obtener la viscosidad del fluido a temperatura ambiente.

Obtener el caudal del fluido relacionando el volumen desalojado para determinado tiempo.

4. MARCO TEÓRICO Antes de pasar a detallar el procedimiento y los cálculos de los resultados obtenidos a partir de los datos experimentales del laboratorio, es necesario contar con un marco teórico el cual mostraremos a continuación.

4.1.

VISCOCIDAD

Esta propiedad es una de las más importantes en el estudio de los fluidos y se pone de manifiesto cuando los fluidos están en movimiento.

La viscosidad de un fluido se define como su resistencia al corte. Se puede decir que es equivalente a la fricción entre dos sólidos en movimiento relativo.

La viscosidad en fluidos depende de muchos factores, uno de ellos es la temperatura. Que afecta diferentemente a un fluido líquido que aun fluido gas.

Las moléculas de un líquido presentan fuerzas de cohesión de mayor magnitud que las que presenta un gas. Esta cohesión parece ser la causa más predominante de la viscosidad en líquidos. Cuando aumenta la temperatura de un líquido, aumenta la energía cinética de sus moléculas y, por tanto, las fuerzas de cohesión disminuyen en magnitud. Esto hace que disminuya la viscosidad.

En un gas, la magnitud de las fuerzas cohesivas entre las moléculas es muy pequeña, por lo que la causa predominante de la viscosidad es la transferencia de la cantidad de movimiento molecular.

En un gas, la actividad molecular da lugar a esfuerzos de cizalla cuyas magnitudes son más importantes que las fuerzas cohesivas y, como la actividad molecular aumenta cuando se eleva la temperatura, al aumentar ésta se producirán mayores esfuerzos de cizalla aumentando, en consecuencia, la viscosidad del gas.

Está representado por: μ :viscocidad dinámica

v :viscocidad cinemática

4.2.

ECUACIÓN DE CONSERVACIÓN DE MASA

La ecuación de conservación de la masa es una de las ecuaciones básicas de la mecánica de fluidos que describe la variación de masa en función del tiempo en el interior un volumen de control (VC) definido.

Teniendo un volumen de control supondremos que no hay perdida ni generación de masa en todo el trayecto de análisis es decir una masa constante se tiene.

Dm sistema =0 Dt

[ ṁ ] entrada=[ ṁ ] salida Si ṁ=⍴ VA

[ ⍴VA ]entrada =[ ⍴ VA ] salida Temiendo un flujo incompresible ⍴=cte

[ VA ] entrada=[ VA ] salida y Q=VA … (1) o

Finalmente

Q=

∀ t … (1)

[ Q ] entrada=[ Q ] salida

4.3.

Numero de Reynolds

La transición de flujo laminar a turbulento depende de la geometría, la rugosidad de la superficie, la velocidad del flujo, la temperatura de la superficie y el tipo de fluido, entre otros factores. Después de experimentos exhaustivos en los años de 1880, Osborne Reynolds descubrió que el régimen de flujo depende principalmente de la razón de fuerzas inerciales a fuerzas viscosas en el fluido. Esta razón se llama Numero de Reynolds y se expresa para flujo interno en una tubería circular como:

ℜ=

Fuerzas Inerciales ρV Dh = … (2) Fuerzas Viscosas μ

Note que el número de Reynolds es una cantidad adimensional.

A números grandes de Reynolds, las fuerzas inerciales, que son proporcionales a la densidad del fluido y al cuadrado de la velocidad del fluido, son grandes en relación con las fuerzas viscosas y por lo tanto las fuerzas viscosas las fuerzas viscosas no pueden evitar las aleatorias y rápidas fluctuaciones del fluido. sin embrago, a números grandes de Reynolds pequeños o moderados, las fuerzas viscosas son lo suficientemente grandes como para suprimir dichas fluctuaciones y mantener al fluido en "línea". por lo tanto, el flujo es turbulento en el primer caso y laminar en el segundo.

Es deseable tener valores precisos de números de Reynolds para flujos laminar, transicional y turbulento, pero este no es el caso en la práctica. es evidente que la transición de flujo laminar a turbulento depende también el grado de perturbación del flujo por la rugosidad de la superficie, las vibraciones de la tubería y las fluctuaciones en el flujo. En la mayoría de las

condiciones practicas el flujo en una tubería circular es laminar, turbulento y transicional para los siguientes valores de Reynolds: ℜ<2300

2300< ℜ< 4000

R. Laminar

R. Transición

4000< ℜ R. Turbulento (3) En el flujo transicional. el flujo cambia entre laminar y turbulento de manera aleatoria. se debe tener en mente que el flujo laminar se puede, mantener en números de Reynolds mucho más altos en tuberías muy lisas cuando se evitan perturbaciones de flujo y las vibraciones de tubería.

5. PROCEDIMIENTO 5.1.

MATERIALES, HERRAMIENTAS Y EQUIPOS      

5.2.

Equipo de Reynolds Cronometro Agua Fluoresceína Cuaderno de apuntes Recipiente graduado

EXPERIMENTACION Se procedió a verter agua en el equipo de Reynolds hasta el borde de su capacidad.

Con el equipo de Reynolds lleno con agua se procede a verter en el recipiente graduado la fluorescina en dicho recipiente.

Posteriormente se procedea abrir la valvula de descarga y se deja fluir el líquido a una velocidad baja, se puede observar que el líquido en ese instante se encuentra en régimen laminar.

A continuación, se toma un volumen conocido utilizando un recipiente y el tiempo de vaciado utilizando el cronómetro, con estos datos de laboratorio podemos hacer el cálculo el caudal.

Utilizando las ecuaciones del número de Reynolds obtenemos el régimen teórico y lo comparamos con el régimen que se ve en la experimentación.

6. RESULTADOS Los resultados obtenidos indican lo siguiente: Promediamos los valores de Flujo Laminar y Flujo Turbulento que concuerdan en experimental con lo teórico Para Flujo Laminar Re<822.38 Para Flujo Transición Para Flujo Turbulento Re>3724.36 Los resultados de las mediciones obtenidas se presentarán en una tabla en el anexo y se utilizaron las ecuaciones (1), (2) y (3) 7. CONCLUSIONES 

Se pudo establecer el flujo de régimen del fluido en las distintas velocidades que se tomaron algunas coincidieron con los regímenes vistos en el equipo.



Se toma la viscosidad del ambiente promedio a 20°C que se tiene en tabla ya que no teníamos la instrumentación adecuada para poder medir



la viscosidad.

El caudal del fluido se tomó en el depósito a un cierto volumen constante y el tiempo se midió con varios cronómetros y se promedió esas medidas para mayor exactitud, también hay errores pues tal vez la medida del volumen se hizo a simple vista.

8. BIBLIOGRAFIA 

Streeter,V .L., ed .,Handbook of Fluid Dynamics ,McGraw-Hill ,New York pp260-262.



Numero de Reynolds en CENGEL, Y. (2006). mecánica de fluidos.



México: Mc Graw-hill.Pag 323. http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/conceptosbasicosmfluidos/f lujotturbulento/flujoturbulento.html

9. ANEXOS

Ite m

V (ml )

t (s)

D (mm )

Q (mm3/s)

v (mm2/s )

1

400

114.1 9

19

3502.9

1

2

400

98.42

19

4064.2

1

3

400

79.41

19

5037.1

1

4

400

71.49

19

5595.2

1

5

400

52.37

19

7638

1

6

400

44.9

19

8908.7

1

7

400

42.51

19

9409.6

1

8

400

37.36

19

10706.6

1

9

400

31.27

19

12791.8

1

10

400

27.65

19

14466.5

1

11

400

26.52

19

15082.9

1

12

400

22.65

19

17660

1

13

400

22.56

19

17730.5

1

14

400

21.19

19

18876.8

1

15

400

20.51

19

19502.7

1

16

400

20.22

19

19782.4

1

17

400

17.4

19

22988.5

1

18

400

14.14

19

28288.5

1

19

400

11.91

19

33585.2

1

20

400

9.91

19

40363.27

1

21

400

6.15

19

65040.65

1

22

400

5.85

19

68376.07

1

23

400

4.42

19

90497.7

1

24

400

4.35

19

91954

1

25

400

2.87

19

139372.8

1

26

600

19

1878.9340 2

1

27

700

19

2839.8718

1

319.3 3 246.4 9 137.8 1

28

600

19

29

600

89.19

19

30

600

58.27

19

4353.8204 8 6727.2115 7 10296.893 8

1 1 1

A (mm) 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3

V (mm/s)

Re

RĂŠgimen TeĂłrico

RĂŠgimen Experimenta l

12.355

234.745

F. laminar

F. laminar

14.334

272.346

F. laminar

F. laminar

17.766

337.554

F. laminar

F. laminar

374.947272

F. laminar

F. laminar

511.840017

F. laminar

F. laminar

31.420661

596.992558

F. laminar

F. laminar

33.187317

630.559024

F. laminar

F. laminar

717.473989

F. laminar

F. laminar

857.208056

F. laminar

F. transiciĂłn

969.43357

F. laminar

F. transiciĂłn

1010.73996

F. laminar

F. transiciĂłn

1183.43738

F. laminar

F. transiciĂłn

1188.16175

F. laminar

F. transiciĂłn

1264.97796

F. laminar

F. transiciĂłn

1306.92096

F. laminar

F. transiciĂłn

1325.6643

F. laminar

F. transiciĂłn

1540.51247

F. laminar

F. turbulento

1895.67771

F. laminar

F. turbulento

2250.6218

F. laminar

F. turbulento

2704.83593

F. transiciĂłn

F. turbulento

19.734066 9 26.938948 3

37.761788 9 45.116213 5 51.022819 5 53.196839 8 62.286177 8 62.534828 8 66.577787 2 68.785313 7 69.771805 5 81.079603 6 99.772510 8 118.45377 9 142.35978 6 229.39600 7 241.15991 3 319.18209 7 324.31841 4 491.56279 8 6.6269319 6 10.016124 6 15.355766 5 23.726630 6 36.316769 9

4358.52414 4582.03834 6064.45985 6162.04987 9339.69315

F. turbulento F. turbulento F. turbulento F. turbulento F. turbulento

F. turbulento F. turbulento F. turbulento F. turbulento F. turbulento

125.911707

F. laminar

F. laminar

190.306367

F. laminar

F. laminar

291.759564

F. laminar

F. laminar

450.805981

F. laminar

F. laminar

690.018628

F. laminar

F. laminar

Ite m

V (ml )

t (s)

D (mm )

31

600

40.84

19

32

600

26.21

19

33

600

21.93

19

34

600

18.74

19

35

600

15.15

19

36

600

13.28

19

37

800

38

800

39

800

240.8 1 154.4 1 105.3 8

32017.075 8 39603.960 4 45180.722 9

1 1 1 1 1 1

19

5181.01159

1

19

77.9

19

41

800

50.52

19

42

800

35.23

19

43

800

29.4

19

44

800

23.3

19

45

800

19.36

19

16.16

27359.7811

1

3322.12117

800

800

14691.478 9 22892.025 9

v (mm2/s )

19

40

46

Q (mm3/s)

19

47

800

14.16

19

48

800

12.39

19

49

800

10.71

19

50

800

9.02

19

7591.5733 5 10269.576 4 15835.312 7 22707.919 4 27210.884 4 34334.763 9 41322.314 49504.950 5 56497.175 1 64568.200 2 74696.545 3 88691.796

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

A (mm) 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3 283.5 3

V (mm/s) 51.816312 80.739343 1 96.496953 1 112.923062 139.68172 8 159.35076 7

Régimen Teórico

Régimen Experimenta l

F. laminar

F. transición

F. laminar

F. transición

F. laminar

F. turbulento

F. laminar

F. turbulento

F. transición

F. turbulento

F. transición

F. turbulento

F. laminar

F. laminar

347.19155

F. laminar

F. laminar

508.72886

F. laminar

F. laminar

F. laminar

F. laminar

F. laminar

F. laminar

F. laminar

F. transición

F. laminar

F. transición

F. laminar

F. turbulento

F. transición

F. turbulento

F. transición

F. turbulento

F. turbulento

F. turbulento

F. turbulento

F. turbulento

F. turbulento

F. turbulento

F. turbulento

F. turbulento

Re 984.50992 8 1534.0475 2 1833.44211 2145.5381 8 2653.9528 4 3027.6645 7

11.7170006 222.623011 18.273239 5 26.775203 2 36.220422 5 55.850572 2 80.090005 9 95.971799 6 121.09746 4 145.74229 9 174.60216 199.26348 2 227.72969 4 263.45199 9 312.81273 9

688.18802 7 1061.1608 7 1521.71011 1823.4641 9 2300.8518 1 2769.1036 8 3317.4410 4 3786.0061 6 4326.8641 9 5005.5879 8 5943.4420 5