LTF GrupoA LabN2 NumeroReynolds

7/23/2019 LTF GrupoA LabN2 NumeroReynolds

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Universidad de La Serena

Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Mecánica

Laboratorio de Termofluidos

Número deReynolds

Integrantes:

-Alan Huenchumán López-Pablo Muñoz Barrientos

-Sergio Cifuentes Araya

-Christian Apablaza Araya

Profesor : Luis Adolfo Gatica González

Fecha : 10 de Diciembre 2015

Resumen

Los fluidos poseen cierta propiedad llamada viscosidad que a grandes rasgos lo podríamos

definir como la resistencia interna de un fluido a las deformaciones graduales producidas

por tensiones tangenciales. Un fluido cuando se mueve en torno a superficies sólidas se

desarrolla en él un perfil de velocidades que estará relacionada con las características del

sólido donde se desplaza, el movimiento de este fluido puede ser el de 3 tipos laminar,

transición y turbulento (siendo el laminar el más escaso en la vida real).Por eso este

laboratorio se desarrollará en clasificar los fluido en uno de estos 3 tipos a través del

aparato de Reynolds en el cual este con la ayuda permanganato de potasio y un tubo de

visualización del fluido, nos permitirá asimilar el tipo de fluido que tenemos presente y

mediante el caudal y volumen que sacaremos experimentalmente obtendremos el número

de Reynolds, esfuerzo de corte y factor fricción, donde con el dato del número de Reynolds

podremos comprobar si nuestros supuestos del tipo de fluido eran correctos.





Mecánica de Fluidos I

2.1 Introducción

Esta experiencia tratara sobre el número de Reynolds que es aquel parámetro adimensional que

nos permite analizar la transición de un fluido desde un régimen laminar hasta un régimen

turbulento y que es la base para un serie de teorías referentes a los flujos viscosos.

En esta investigación se ocupará como elemento primordial el aparato de Reynolds, que nos

ayudará para determinar la pérdida de cargas o energía debido a efectos de fricción viscosa, y

dependiendo del número que nos presenta, podremos identificar si estamos frente a un fluidos

turbulento, transición o laminar. En este aparato nos permitirá a través de observación visual

poder identificarlo en uno de sus 3 tipos, y compararlo con teóricamente a través del caudal,

esfuerzo cortante, flujo laminar y número de Reynolds.

2.2 objetivos generales y específicos

Clasificar el régimen de flujo que circula por una tubería con la ayuda del aparato de Reynolds,

primero observando de manera visual seguido de su comprobación de forma teórica.

2.3 Alcances de la experiencia

Se ha estudiado el comportamiento de un fluido viscoso en régimen laminar (primera experiencia

de laboratorio: viscosidad). Sin embargo, no existe una teoría análoga que describa el

comportamiento de los fluidos en régimen turbulento, o que explique la transición de régimen

laminar a turbulento.

Esta experiencia está inmersa en un problema práctico importante de la ingeniería

de fluidos, como el flujo en conductos con distintas velocidades, distintos fluidos y distintas

geometrías. Nos enfocaremos en familiarizarnos con el denominado número de Reynolds, y la

importancia que tiene a la hora de definir si un determinado fluido está en régimen laminar,

turbulento, o en la transición entre ambos regímenes.

3 Hipótesis

3.1 Realizar supuestos

-Al aumentar el caudal del fluido abriendo cada vez más la llave inferior del aparato de Reynolds el

régimen de flujo será más turbulento

-El factor de fricción es mayor en un flujo turbulento que en uno laminar.

3.2 Definir variables

Caudal del fluido:

Es la cantidad de fluido que circula a través de una sección del ducto (tubería, cañería, oleoducto,

río, canal) por unidad de tiempo.

Aparato de reynolds:

Aparato que permite reproducir el experimento mediante el cual Osborne Reynolds pudo

observar la existencia del flujo laminar y el flujo turbulento para un mismo fluido que es

transportado bajo diferentes condiciones.






Régimen de flujo:

Se entiende como régimen de flujo, la forma como se comporta el movimiento de un fluido a lo

largo de un conducto.

Régimen de flujo turbulento:

El movimiento de las partículas líquidas se realiza siguiendo trayectorias muy irregulares o

desordenadas

Factor de fricción:

El factor de fricción o coeficiente de resistencia de Darcy-Weisbach (f) es un parámetro

adimensional que se utiliza para calcular la pérdida de carga en una tubería debida a la fricción.

4. Marco teórico

4.1 Revisión bibliográfica

Los distintos tipos o regímenes de flujo asociados a la asignación de valores numéricos de cada

uno fueron ideados por primera vez por Osborne Reynolds en 1883.

Reynolds observó que el tipo de flujo adquirido por el líquido que fluye dentro de una tubería

depende de la velocidad del líquido, el diámetro de la tubería y de algunas propiedades físicas del

fluido. De esa manera se creó el numero de Reynolds, número adimensional que asocia las

propiedades físicas del fluido, su velocidad y la geometría del ducto por el que fluye y esta dado

por la siguiente relación:

Cuando el ducto es una tubería, D es el diámetro interno de la tubería. Cuando no se trata de un

ducto circular, se emplea el diámetro equivalente (De) definido como:

Este grupo adimensional es uno de los par´ametros m´as utilizados en los diversos campos de laIngenieríıa Química en los que se presentan fluidos en movimiento.






4.2 Extracción y recopilación de la información de interés

Velocidad media ( ): promedio de la velocidad de las partículas a través de una sección demV

área.

A= Área que ocupa el flujom V = A

∙dA∫ A V

= A

Q

Q= Caudal

Esfuerzo de corte ( ): El esfuerzo de corte producido sobre el fluido, se puede expresar de laτ

siguiente manera:

τ =8

f ρ V m* * 2

Factor de fricción ( : valor adimensional que se utiliza para calcular la pérdida de carga en) f

tuberías.

flujo laminar f =ℜe64

flujo turbulento f =ℜe

0.25

0.3164

4.3 Marco Teórico

Número de Reynolds : l 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 , donde se analiza y estudia la transición de un fluido desde un régimen

laminar a un régimen turbulento, definiéndose como la relación entre las fuerzas de inercia y las

fuerzas viscosas

uerzas

viscosas

uerzas

de

inercia

μ

ρ

Vm c

v

Vm c

con:

: densidad del fluido

Vm: velocidad media o característica del fluido

Lc: diámetro de la tubería a través de la cual circula el fluido o longitud característica delsistema

: viscosidad dinámica del fluido

: viscosidad cinemática del fluido (m²/s)

El valor del número de reynolds permite conocer en cuál régimen de flujo se encuentra el fluido:

e 000 lujo laminar ℜ < 2 ⇒ F

000 e 000 lujo de transición 2 < ℜ < 4 ⇒ F

e 000 F lujo turbulentoℜ > 4 ⇒

https://es.wikipedia.org/wiki/Fluido

https://es.wikipedia.org/wiki/Fen%C3%B3menos_de_transporte

https://es.wikipedia.org/wiki/Dise%C3%B1o_de_reactores

https://es.wikipedia.org/wiki/Mec%C3%A1nica_de_fluidos

https://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_adimensional






Regímenes de flujo:

Pueden existir tres regímenes de flujo posibles:

-Laminar: se caracteriza por la casi nula interacción de las capas del fluido entre ellas, de allí su

nombre, pues el líquido se comporta como si estuviera conformado por láminas o capas.

- Turbulento : en este caso el fluido posee movimiento tridimensional de sus partículas, por lo que

estas se mezclan debido a que las velocidades de las partículas son distintas.

- De transición : la línea del fluido dentro del tubo pierde estabilidad formando pequeñas

ondulaciones variables en el tiempo, manteniéndose sin embargo delgada.






5. Descripción del experimento

5.1. Pasos del experimento

Se constató que las conexiones de drenaje del equipo estuvieran bien ajustadas, para luego llenar

el depósito de tinta hasta que el inyector quedara arriba de la boquilla de entrada. Abriendo la

llave de paso se llenó el estanque de amortiguación manteniendo un nivel constante para así

asegurar un desborde por el drenaje superior, después de dos a tres minutos se procedió a medir

la temperatura.

Se abre el drenaje inferior en forma controlada y se registra visualmente el régimen de flujo

presente, se mide el caudal de salida controlando el tiempo de llenado del recipiente graduado. Se

repitió este proceso nueve veces (tres para cada régimen de flujo), modificando el caudal del agua

para cada medición.

5.2 instrumentos utilizados

1- Aparato de prueba de Reynolds

2- Tinta (Permanganato de potasio)

3- Recipiente graduado

4- Termómetro

5- Cronómetro






6 Recolección Cálculos de Datos

6.1 Datos medidos

Los datos medidos se encuentran tabulados en la siguiente tabla.

Nº Régimen observado Volumen(ml) Tiempo(s)

1 Laminar 10 2,56

2 Laminar 40 3,24

3 Laminar 20 5,46

4 Transición 100 4,59



7 Turbulento 200 2,70



6.2 Datos calculados

Con los datos medidos se calcula el flujo másico, la velocidad media y el caudal. Agregando datos

como el diámetro del tubo se puede calcular el número de reynolds, el coeficiente de fricción y el

esfuerzo de corte. Los resultados obtenidos se encuentran tabulados en las siguientes tabla.

Variables

V :

Volumen

Re : Número de

Reynolds

D : Diámetro

equivalente

A : área de la

sección μ : Viscosidad dinámica

t : Tiempo f : Factor de fricción Vm : velocidad media

φ : Diámetro

sección

ν : viscosidad

cinemática

Q : Caudal τ : Esfuerzo de corte ρ : Densidad T : Temperatura Rh: Radio Hidráulico

Para el aparato borne de Reynolds utilizado se tienen los siguientes parámetros:

T = 21 (°C)

ρ(kg/m^3) μ(kg/m*s) ν (m^2/s)

998,08 0,000979 9,80883E-07






datos aportados por la tabla, la presión atmosférica de 1 atm.

Tubería Circular

(m)φ (m ) A 2 D(m)

0,013 0,00013273 0,013

Los resultados obtenidos se encuentran tabulados en la siguiente tabla:

Flujo

Observado V(m^3) t(s)

Q(m^3/s)

Vm(m/s) Re

Tipo de

Flujo f τ(N/m^2)

Laminar

1,00E-0

5 2,56

3,91E-06 2,94E-02 390,040282

Laminar

0,1640856

2

0,017730165

Laminar2,00E-0

5 5,463,66E-06 2,76E-02

365,75206 Laminar0,1749819

30,016626089

Laminar

4,00E-0

5 3,24

1,23E-05 9,30E-02 1232,71991

Laminar

0,0519177

1

0,056036077

Transición

1,00E-0

4 4,59

2,18E-05 1,64E-01 2175,38807

Transición - -

Transición

1,00E-0

4 4

2,50E-05 1,88E-01 2496,25781

Transición - -

Transición

2,00E-0

4 7,54

2,65E-05 2,00E-01

2648,5494 Transición - -

Turbulento

2,00E-0

4 2,7

7,41E-05 5,58E-01 7396,31943

Turbulento

0,0341179

2

1,325675461

Turbulento

4,00E-0

4 3,68

1,09E-04 8,19E-01 10853,2948

Turbulento

0,0309988

9

2,593537992

Turbulento

4,00E-0

4 5,58

7,17E-05 5,40E-01 7157,72848

Turbulento

0,0343987

5

1,251746682

De la tabla anterior se obtienen los siguientes gráficos:











7. Análisis de datos

Se observa que en el gráfico RE v/s Vm el comportamiento de la curva es lineal y creciente,

resultado esperado ya que en la expresión utilizada para obtener el número de Reynolds, la

componente Vm es directamente proporcional a dicho número.

Del gráfico Re v/s f se observa que a medida que mientras menor sea el número de Reynolds el

factor de fricción es mayor, ya que en la fórmula utilizada son inversamente proporcionales.

Según la comparación de datos obtenidos del número de Reynolds respecto al esfuerzo de corte,

en su gráfica se observa un comportamiento similar a una función curva en crecimiento, donde

mientras mayor es el número de Reynolds también aumenta el esfuerzo de corte. Esto se debe a

las fórmulas utilizadas, en el esfuerzo de corte y el número de Re ambos dependen de la

velocidad media con la salvedad de que Vm en el esfuerzo de corte está elevado a la segunda

potencia.

Conclusión

Se logró comprobar satisfactoriamente que los valores del número de Reynolds calculados

corresponden al régimen de flujo que se observó en la experiencia por lo tanto se cumple el

objetivo.

Al aumentar la velocidad de flujo aumenta el número de Reynolds, por lo tanto el fluido tiende a

tener un régimen turbulento Respecto a las hipótesis se verifica que Al aumentar el caudal del

fluido abriendo cada vez más la llave inferior del aparato de Reynolds el régimen de flujo será más

turbulento debido a que aumenta la velocidad media del fluido.

El coeficiente de fricción disminuye mientras aumenta el número de Reynolds. Esto implica que en

el régimen turbulento la pérdida de carga en una tubería debida a la fricción es menor. Por lo

tanto queda falseado el supuesto entregado en la hipótesis en donde se decía que el factor de

fricción es mayor en un flujo turbulento que en uno laminar

El esfuerzo de corte aumenta mientras aumenta el número de de Reynolds, lo que significa que el

esfuerzo interno de las tensiones paralelas a la sección transversal es mayor en el régimen

turbulento

Bibliografía

- http://tarwi.lamolina.edu.pe/~dsa/Reynold.htm

- https://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_de_Reynolds

-Mecánica de Fluidos - Merle Potter y David Wiggert - Tercera Edición

https://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_de_Reynolds

http://tarwi.lamolina.edu.pe/~dsa/Reynold.htm

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