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Universidad de Santiago de Chile
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Mecánica.
Laboratorio Mecánica de fluidos
Laboratorio N°2:
Experiencia E931 “Orificio en pared
delgada”
Gabriel Reyes Navarro.
Asignatura: Laboratorio Mecánica de fluidos. Profesor: Iván Gallardo.
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Índice:
Resumen………..3
Objetivos………...…..3
Características Técnicas de los Equipos e Instrumentos…………....4
Desarrollo de la experiencia………..6
Presentación de resultados……….…...7
Discusión de los Resultados……….….12
Cálculos y relaciones matemáticas………..13
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Resumen:
En el presente informe se expondrá sobre la experiencia E931 del departamento de mecánica de la asignatura de mecánica de fluidos correspondiente a “visualización de flujos” específicamente al número de Reynolds que específicamente caracteriza los tipos de flujos dependiendo de acuerdo a un número adimensional llamado “Numero de Reynolds” que divide los flujos en laminar, turbulento, y de transición.
Para esto necesitaremos del equipo en el laboratorio sector norte de la universidad llamado visualización de flujos además de una probeta un cronometro y permanganato.
Objetivos:
General:
Observar y evaluar el tipo de flujo, de acuerdo a si es laminar, transición ó turbulento.
Específico:
Comparar el valor teórico de Reynolds para cada tipo de flujo con lo observado de acuerdo a los datos obtenidos
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Características Técnicas de los Equipos e Instrumentos Empleados:
Equipo de Reynolds.
El equipo de Reynolds consiste básicamente de un estanque en el cual se mantienen una columna de agua constante mediante una llave de paso este a su vez en su parte inferior contiene una cañería que en este caso tiene un diámetro de 32 mm además de una llave que regula el caudal de salida del sistema. Finalmente se utiliza un dispositivo que se encuentra dónde empieza la cañería su función es administrar permanganato potásico el cual es utilizado como agente dentro del equipo de Reynolds para caracterizar el tipo de flujo
Probeta:
La probeta es un instrumento volumétrico que consiste en un cilindro graduado de vidrio que permite contener líquidos y sirve para medir volúmenes de forma aproximada que en este caso estará graduada hasta 2 litros.
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Cronometro:
El cronómetro es un reloj o una función de reloj utilizada para medir fracciones temporales, normalmente breves y precisas
Llave de paso:
es un dispositivo, generalmente de metal, usado para dar paso o cortar el flujo de agua u otro fluido por una tubería o conducción en la que está inserto. Esta se ocupa para mantener un flujo constante dentro del recipiente.
Termómetro:
El termómetro es un instrumento de medición de temperatura de preferencia digital así uno tiene mayor precisión en la lectura de la temperatura del agua.
Desarrollo de la experiencia:
En un principio se verifica que la llave de paso de la cañería este cerrada además de que el dispositivo que suministra el permanganato potásico contenga este elemento posterior a esto llenamos el contenedor con agua a una altura deseada posterior a esto necesitaremos una probeta y un cronometro.
Posterior a esto se necesitan 3 personas una para que regule el caudal de salida de la cañería y además mida con la probeta un volumen de agua que cae a esta en un periodo de tiempo otra persona que con el cronometro lleve el control de este tiempo además de una persona que se encargue de anotar los datos obtenidos
6 Primero abrimos la llave de paso de la cañería con lo cual va a fluir agua por esta la primera abertura debe ser mínima posterior a esto se debe medir el caudal de la cañería con lo cual necesitaremos de la probeta y el cronometro esto se deberá realizar midiendo una cantidad de volumen de agua que entra a la probeta en un cierto periodo de tiempo y eso se anota en una tabla tanto el volumen como el tiempo que transcurrió hasta que se llegara a ese volumen posterior a esto se debe abrir un poco más la llave siempre con un mínimo giro de esta debido a que se quiere observar las diferentes características que adopta un flujo de acuerdo a como los caracterizo Reynolds se deben tomar aproximadamente 15 a 20 datos pero además de esto se debe ir abriendo la llave como también hay que tomar datos cerrándola es decir ir desde un flujo laminar a un flujo turbulento y devuelta de un flujo turbulento a un laminar.
Presentación de resultados:
Parámetros ambientales y propios del líquido
Temperatura del agua: 12.1(°C).
Diámetro cañería: 32 (mm).
Viscosidad cinemática: 0.001236.
Densidad del agua: 999.58 kg/m3
Tabla N°1 de datos obtenida experimentalmente:
Ensayo Volumen (ml) t (s) Flujo Qo (m3/s) Vo (m/s) N° de Reynolds 1 300 16.450 laminar 1.824E-05 0.02268 586.8331 2 420 19.326 laminar 2.173E-05 0.02702 699.3049 3 320 11.805 laminar 2.711E-05 0.03370 872.2545 4 400 10.872 laminar 3.679E-05 0.04575 1183.8857 5 520 12.200 laminar 4.262E-05 0.05300 1371.5219 6 560 11.910 laminar 4.702E-05 0.05846 1512.9880 7 640 11.008 transicion 5.814E-05 0.07229 1870.8147 8 660 9.602 transicion 6.874E-05 0.08547 2211.7776 9 740 8.525 turbulento 8.680E-05 0.10793 2793.1648 10 940 9.176 turbulento 1.024E-04 0.12738 3296.3527 11 600 5.082 turbulento 1.181E-04 0.14680 3799.0571 12 700 6.200 turbulento 1.129E-04 0.14038 3633.0015 13 575 6.034 turbulento 9.529E-05 0.11849 3066.3503 14 780 10.842 transicion 7.194E-05 0.08945 2314.9650 15 560 9.451 transicion 5.925E-05 0.07368 1906.6435 16 420 8.325 laminar 5.045E-05 0.06273 1623.3953 17 280 8.038 laminar 3.483E-05 0.04331 1120.9062
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Discusión de los Resultados:
se lograron los objetivos debido a que los flujos pudieron ser visualizados en plenitud debido al permanganato potásico que era arrastrado por la trayectoria que presentaba el interior de la tubería que de acuerdo al caudal variaba recordemos que Reynolds depende únicamente para este caso de la velocidad debido a que se considera una temperatura constante y por ende una viscosidad dinámica constante al igual que la densidad y el diámetro de la tubería también es constante por ende el número de Reynolds es directamente proporcional a la velocidad y como sabemos que caudal y velocidad son directamente proporcionales el número de Reynolds va a depender directamente del caudal y se puede observar claramente que cuando variamos el caudal de la cañería aumentándolo Reynolds también lo hace por lo tanto a medida que lo aumentamos aumentara también la turbulencia de este.
Lo que sí se puede discutir claramente es la zona de transición que en los libros aparece como un número pero en este caso queda plasmado que debería ser un intervalo que varía éntrelos 1800 y 2400 se deberían hacer más ensayos en las zonas en que queda duda para hacer una determinación con mayor precisión.
Además de esto se puede concluir los rangos donde se presentan los flujos 0<laminar<1800
1800 < transcision < 2400 2400 < turbulento
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Cálculos y relaciones matemáticas:
Numero 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.
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 2000 el flujo será laminar y si es mayor de 4000 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.
El número de Reynolds está definido por
0 V D Re ⁄ Dónde: i) V0=velocidad real
ii) D=diámetro del orificio
iii) =viscosidad cinemática del fluido.
Caudal:
Hay que distinguir dos tipos de caudal, el másico y el volumétrico. El caudal volumétrico es el volumen que atraviesa una superficie por unidad de tiempo es igual a:
Q = S·v
Esto significa que el caudal depende de la sección de la superficie que lo atraviesa y de la velocidad. Así para una misma superficie, si el fluido va a mayor velocidad, será atravesado por un mayor caudal, y al revés para una misma velocidad cuando mayor es la superficie mayor es el caudal.
Referencias:
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Mecánica de fluidos - Çengel - 4a ed.
Tarea:
Caracterizar flujos: Flujo turbulento:
Las partículas del fluido no se mueven siguiendo trayectorias definidas. La acción de la viscosidad es despreciable.
Las partículas del fluido poseen energía de rotación apreciable, y se mueven en forma errática chocando unas con otras.
Al entrar las partículas de fluido a capas de diferente velocidad, su momento lineal aumenta o disminuye, y el de las partículas vecina la hacen en forma contraria. Flujo Laminar:
En un flujo laminar las moléculas del fluido se mueven según trayectorias paralelas
Los módulos de las velocidades de las capas adyacentes no tienen el mismo valor aumentando hacia el centro de la tubería y disminuyendo hacia las paredes de la misma generando una parábola
Aplicaciones de los flujos: Laminar:
La sangre que fluye por los vasos sanguíneos de un cuerpo en reposo, administración de suero quirúrgico, Servir un vaso de agua, es materia de estudio debido a la aerodinámica en aviones o autos o trenes de alta velocidad debido a que se quiere que el flujo de aire que se genera en su superficie sea lo más laminar posible debido a que este presenta menor generación de esfuerzos de corte.
Turbulento:
En una represa para la generación de electricidad, este flujo en especial está asociado a sistemas de refrigeración debido a que tiene una mejor transferencia de calor por ende son aplicado en radiadores de motores de combustión interna o en termoeléctricas que
funcionan en base al mismo principio, en bombas tanto de bomberos bencineras o de la propia industria minera.
