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Laboratorio de Mecánica de Fluidos I
Visualización de Flujo
13/06/2016, I Término 2016
Gómez De La Cruz Jimmy Edison
Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP)
Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL)
Guayaquil - Ecuador
jimegome@espol.edu.ec
Resumen
La visualización de flujo es una de las primeras herramientas pedagógicas para poder comprender de mejor forma el comportamiento de un fluido en diversas geometrías, como objetivo de ésta práctica se tiene la observación de las líneas de flujo y como cambian alrededor de cada uno de los cuerpos, en este caso se observó líneas de flujo por convección forzada, ya que es más sencillo notar sus variaciones que cuando éste se encuentra en convección natural, puesto que su movimiento es más complejo, todo esto se logra al vaporizar el queroseno en la parte baja del equipo, luego éste humo pasa por veinte y tres arroyos formando así líneas visibles de humo y no disperso, con lo que se puede apreciar de mejor forma su flujo, y tiene un ventilador en la parte superior del equipo que ocasiona la convección forzada del humo, en cada uno de las geometrías expuestas se observó un comportamiento diferente, en cada caso se citaba las aplicaciones que tienen cada una de ellas, como el ala de avión, que por diferencia de presiones se eleva. Todo lo observado es un punto de partida para dar criterios de diseño de tuberías y así disminuir las pérdidas energéticas, dependiendo en cada caso la aplicación de la misma.
Palabras Clave: Convección forzada, humo, líneas de flujo y visualización de flujo.
Abstract
The visualization of the flux is one the first pedagogic tools to understand in a better way the behavior of the flux in different geometries, the main objective of this experiment is the observation of the streamlines and how it changes in the surround of each one of the bodies, in this case it is observed the streamlines with forced convection, inasmuch as is straightforward notice the variations comparing with this is in natural convection, since its movement is more complex, all of this is achieved vaporizing the kerosene in the bottom of the equipment, afterwards this smoke pass through twenty tree streams forming visible lines of smoke and not scattered, with it we can visualize in a better way its flux and it has a fan in the upper of the equipment that trigger the forced convection of the smoke, in each one of the exposed geometries it is observed a different behavior, in each case it was recalled its enforcement, for example the wing of the airplane, that because of the differences of pressures it rises up. All the observed is a started point to give designs principles of pipelines and decreases the energy loses, depending in each case the enforcement of it.
Keywords: Forced convection, smoke, streamlines and visualization of the flux.
Introducción
El movimiento de los fluidos puede ser descrito bajo diversos criterios y por medio de ecuaciones con una muy buena aproximación, pero debido a su alta complejidad, en cuanto a resolución de ecuaciones, existe un método sencillo para su observación, el cuál es usado para definir criterios de diseño aerodinámico de diferentes partes de un vehículo, aviones, entre otros. Dado un campo de velocidades;
𝑉(𝑥, 𝑦, 𝑧) = 𝑢𝒊 + 𝑣𝒋 + 𝑤𝒌
Se puede obtener las líneas de flujo a partir de la siguiente expresión matemática;
𝑑𝑥 𝑢 = 𝑑𝑦 𝑣 = 𝑑𝑧 𝑤
En la mayoría de los casos se dificulta la obtención de las líneas de flujo ya que el campo de velocidades, las expresiones que lo modelan, son muy complejas de obtener, y se realiza de forma experimental, en ésta práctica sólo nos centraremos en la observación de las líneas de flujo, puesto que la obtención de las ecuaciones que gobiernan este tipo de fenómenos está fuera de nuestro alcance.
Para la observación del flujo se usa el vapor de queroseno, ya que éste tipo de fluido se nota con facilidad su movimiento en medio del aire, el equipo está compuesto de veinte y tres ductos, los cuales hacen que el flujo sea más ordenado en cuanto a su visibilidad, el queroseno al vaporizarse se torna de color plomo, se usan diferentes geometrías para observar el comportamiento del fluido al cruzar entre éstas superficies, para poder observar las líneas de flujo a través del cuerpo se usa un ventilador que está ubicado en la parte superior, dando lugar a la convección forzada, y de ésta forma se mantienen las líneas de flujo hasta alcanzar la superficie del cuerpo en cuestión, de otra forma, sólo dejando que sea convección natural, éste no sería fácilmente visible, ya que se observaría la dispersión del humo en medio del aire sin seguir el orden por el cual es forzado al usar el ventilador.
Equipos, Instrumentación
y Procedimiento
Ventilador Luces Cámara de Humo Geometría de prueba Concentradores de humo Reservorio de queroseno Generador de Humo Perilla de control del ventilador Figura 1 Figura 23
Equipo: Túnel de viento Marca: PLINT
Serie: TE80/4106 Modelo: TE80/4106 Código ESPOL: 02699
Ya que sólo se realizaron observaciones no fue necesario el uso de algún instrumento de medición.
Resultados
Se visualizó las líneas de flujo en diferentes
cuerpos geométricos y en diferentes
composiciones, el primero observado fue el
cilindro;
Se observa una gran masa de aire en la
parte trasera del cilindro, además se puede
apreciar que las líneas de flujo se unen en
la sección mayor del cilindro.
Para el caso de las aletas, se observa un
comportamiento muy similar al cilindro, ya
que son iguales en forma, presentando una
pequeña acumulación de masa en la parte
trasera del cilindro, la disposición varía un
poco para las aletas que se encuentran en la
segunda y tercera fila, ya que al pasar el
fluido por la primera fila se torna
turbulento para la segunda, acumulando
una menor cantidad de masa detrás de
éstos.
Para el caso de la esfera se observa un
comportamiento muy similar al del
cilindro, pero
comparando las dos
geometrías se tiene que la cantidad de masa
en el cilindro será mayor que la cantidad de
masa en la esfera, ya que en la esfera las
líneas de flujo rodean la geometría,
mientras que en el cilindro sólo cruzan por
los costados.
Figura 3
Figura 4
Figura 5
Para el caso de la placa plana con una
circunferencia hueca en el centro se
observa acumulaciones de masa en las
secciones planas, en el centro no existe
distorsión alguna ya que el flujo no es
interrumpido, pero las secciones planas
interrumpen el flujo dando lugar a que las
líneas de flujo se junten más en los
extremos.
En el caso de los ductos curvos se tiene una
mayor turbulencia, lo que conlleva a
pérdidas energéticas del flujo, por lo
general en la mayoría de diseño de tuberías
se
intenta
evitar
este
tipo
de
configuraciones, en la parte baja se observa
una mayor separación de las líneas de flujo,
en cambio en la parte superior se observa
líneas de flujo más unidas.
Para el caso de las tuberías con disposición
de codo con noventa grados se tiene que se
forma un fluido en rotación en la parte de
la salida formando una mayor turbulencia,
esto se da ya que el cambio de dirección es
muy repentino, a diferencia de otros
diseños que permiten establecer un cambio
de forma gradual.
En ésta configuración se puede observar
que el flujo es más ordenado, ya que está
compuesto por pequeñas metales con
sección curva que permiten ordenar el
flujo, no se genera tanta turbulencia en
comparación
a
las
configuraciones
anteriores.
Figura 7
Figura 8
5
Análisis de Resultados, Conclusiones y
Recomendaciones
En la visualización de flujo se tuvo ciertas
dificultades, puesto que no se logró
observar con mucha claridad, ya que el
tubo que conectaba la cámara con el
queroseno se encontraba con fugas, y parte
del humo no pasaba y como resultado no se
observaba con claridad.
Este tipo de pruebas se realiza con mucha
frecuencia a la hora de diseñar cualquier
tipo de elemento que será sometido a flujos,
ya que con análisis dimensional se puede
obtener resultados a escala, es decir, que se
usan un prototipo, y en base a esto se
realizan los diseños reales considerando
criterios de diseño al observar cómo se
comporta el fluido al pasar a través de las
superficies del elemento a analizar.
Se puede observar que las mejores
disposiciones de tuberías son aquellas que
generan menos turbulencia, ya que con ello
tienen menos pérdidas energéticas y se
facilita su flujo a través de la misma, por lo
tanto se usan codos con variaciones de
dirección bruscas únicamente cuando no
existe otra forma de disponer el ducto.
Referencias Bibliográficas/
Fuentes de Información
-Munson, Bruce R., Young, Donald F., Okiishi, Theodore H., Huebsch, Wade W., Fundamentals of Fluid Mechanics, Sixth Edition, (2009), Wiley, Iowa USA.
-Guía de Laboratorio de Mecánica de Fluidos I
