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Laboratorio de Mecánica de Fluidos I

Visualización de flujo

23 de Noviembre del 2015, II Término 2015-2016

Solano Borja Fernando Andrés

Facultad de Ingeniería Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP)

Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL)

Guayaquil -- Ecuador

fasolano@espol.edu.ec

RESUMEN

En esta práctica se realizó en el laboratorio de Termo-Fluidos, se analizó y visualizó todas las

separaciones de flujo a través de diferentes tipos de cuerpos (romos y aerodinámicos) e identificó

la clase de flujo en cada uno de ellos, dónde se utilizó la el Generador y túnel de humo, para hacer

pasar humo (kérex), a lo largo de los cuerpos, aquí se pudo observar tanto su punto de

estancamiento y desprendimiento en cada uno de ellos.

Además se hizo una comparación entre los cuerpos romos y aerodinámicos ya que en los cuerpos

aerodinámicos al no tener puntos ni de estancamiento ni de desprendimiento se concluyó que sus

condiciones laminares son óptimas (flujo laminar) a comparación de los cuerpos romos donde se

produjeron estelas, es decir que su flujo fue una parte turbulento y otra parte laminar.

Palabras claves: Cuerpo aerodinámico, cuerpo romo, flujo turbulento, flujo laminar, Reynolds.

ABSTRACT

In this practice was performed in the laboratory of Thermo-Fluid, was analyzed and visualized all

separations flow through different types of bodies (blunt and aerodynamic) and was identified the

type of flow in each, where we used the Builder and tunnel smoke to pass smoke (Kerex) along

the bodies could be seen here both their sticking point and peel each.

Also a comparison was made between the blunt and streamlined bodies and that streamlined

bodies having no spots or stagnant or detaching it was concluded that its laminar conditions are

optimal (laminar flow) to compare the blunt bodies which wakes occurred, so its flow was a part

turbulent and another was laminar.

Keywords: aerodynamic body, bluff body, turbulent flow, laminar flow, Reynolds.

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Introducción Equipos, instrumentos, procedimiento

En la práctica de laboratorio se visualizó las

líneas de flujo a lo largo de cuerpos romos y

aerodinámicos, donde se identificó el tipo de

flujo que se formaba a lo largo de ellos, en

algunos se formó un flujo laminar, el cual

está caracterizado por tener suaves

variaciones (orden), porque ninguna de sus

líneas del fluido se cruzan entre sí, en

cambio que en otros cuerpos se formó un

flujo turbulento, el cual está caracterizado

por tener fuertes y aleatorias fluctuaciones,

es decir que el flujo se moviliza de forma

desordenado provocando que las líneas de

flujo se crucen entre sí, creando

perturbaciones.

Una forma de conocer matemáticamente

cuando un flujo es laminar o turbulento, es

con el Número de Reynolds, el cual es un

número adimensional y si Re<2100 el flujo

es laminar, si Re > 4100 el flujo es

turbulento y si 2100<Re>4100 el flujo se

encuentra en una fase de transición entre

flujo laminar y turbulento.

𝑅𝑒 =𝜌𝑣𝑠𝐷

𝜇 ec.1

Donde:

𝜌 = 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜

𝑣𝑠 = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜

𝐷 = 𝐷𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎

𝜇 = 𝑉𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑖𝑛á𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜

Generador y túnel de humo.-El túnel de

humo es una máquina que se creó para poder

observar las líneas de corriente. Además es

un aparato de fácil construcción y operación,

que utiliza kérex para generar humo.

Imagen 1: Generador y túnel de humo

Imagen 2: Placa del generador y túnel de

humo

El equipo muestra las líneas de corriente de

forma vertical hacia arriba, este flujo es

producido por un pequeño ventilador cuya

velocidad es regulada por una pequeña

bomba manual ubicada en su lado lateral.

Kérex evaporado

Kérex líquido

Bomba manual

Motor

Líneas de

flujo

Esfera

Ventilador

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Antes de encender el generador y túnel de

humo se procedió a conectarla a una fuente

eléctrica, se verificó que la botella de kérex

líquido que se encontraba en la parte trasera

del equipo este correctamente colocada y sin

ninguna clase de fuga.

Luego se procedió a encender el equipo y se

esperó aproximadamente unos 5 minutos

para que el quemador produjera la suficiente

cantidad de humo para visualizar

correctamente las líneas de flujo del kérex.

Posteriormente se procedió a colocar varias

tipos de cuerpos romos y aerodinámicos

como por ejemplo: esfera, cilindro, placa

con orificio circular, ala aerodinámica,

disco, banco de tubos, codo recto y observar

cómo se comportaban las líneas de flujo a lo

largo de ellos y analizar todas sus diferencias

y puntos (estancamiento y desprendimiento)

que se producen en cada uno de los cuerpos.

Al momento de colocar cada uno de los

cuerpos se procedió a quitar la vitrina de

vidrio que se encontraba en la parte frontal

del generador y túnel de humo, y el cuerpo

se lo enroscó a una tuerca que se encontraba

dentro del generador; también cabe recalcar

que si las líneas de flujo no se podían

visualizar de manera óptima se procedió a

intensificarlo apretando la bomba manual

que se encontraba en la parte lateral del

generador y túnel de humo.

Finalmente se observó detenidamente las

líneas de flujo gracias a la bomba manual de

cada uno de los cuerpos, y se tomó

fotografías para cada uno de ellos.

Resultados

En esta práctica, al ser exclusivamente de

observación no se efectuará ninguna clase de

cálculos, por lo que todos los resultados son

exclusivamente imágenes que han sido

adjuntadas en la parte de Anexos.

Análisis de Resultados, Conclusiones

y Recomendaciones

En cada uno de los modelos o cuerpos se

observaron diferentes tipos de flujos, por

ejemplo en la imagen 3 se observó que al ser

la presión y la velocidad del fluido tan alta,

al pasar este a lo largo del cilindro ya no lo

redondea, y se forman estelas en la parte

superior del cilindro, es decir se forman

turbulencias o flujo turbulento. En la parte

superior se acumular una gran cantidad de

estelas.

En la imagen 4 el flujo no rodeó al cuerpo

sino que atravesó directamente él, aquí el

flujo choca con la placa y trata de buscar la

salida más fácil, además de existir un punto

de estancamiento también se forman estelas

arriba de la placa, es decir que el fluido

además de ser laminar en el centro también

se volvió turbulento. Por otro lado aunque no

se pudo visualizar el punto de

desprendimiento si existe.

En la imagen 5 no se observó ninguna línea

de corriente o flujo laminar, ya que se

formaron solamente estelas, es decir puras

turbulencias, ya que el flujo siempre trata de

buscar la salida más fácil, también se

observó que arriba de los bancos de tubos se

encontró sólo vacío.

Los bancos de tubos son muy usados en la

parte termodinámica como por ejemplo en

los intercambiadores de calor para calentar o

enfriar un líquido deseado.

La temperatura de condensación del kérex es

65 C.

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En la imagen 6, se observó poca

perturbación, ya que la ala al ser

aerodinámica no se va a producir ninguna

clase de vacíos, y el flujo siguió su

trayectoria. El flujo rodeó el ala y no se

crearon estelas. También no existe ni punto

de estancamiento ni de desprendimiento. Sus

condiciones laminares son óptimas.

Al comparar la imagen 7 y 8 se encontró las

siguientes diferencias entre el codo recto y el

suavizado:

Codo

Recto

Codo

Suavizado

Vacíos Grande Pequeño

Estelas Muchas Pocas

Cantidad de

flujo

Poco Bastante

Turbulencia Mayor Menor

Punto de

desprendimiento

Mayor Menor

En la imagen 9 su punto de desprendimiento

es más arriba comparado con el cilindro,

también en la esfera también fue muy fácil

observar que hay pocas estelas, no existen

turbulencias y favorece mucho al flujo.

En la imagen 10, se observó que el flujo se

distribuyó de manera uniforme a lo largo de

los deflectores, hay mayor cantidad de

orden, evitando que se formen estelas y

haciendo que los vacíos sean mínimos, solo

después de los deflectores se forman las

estelas, y cabe recalcar que son escasas. En

cambio que en un disco en un disco sólo se

produce vacíos arriba del mismo, existen

muchas estelas, su perturbación es bien

grande.

Como conclusión se puede decir que entre la

utilización de un cuerpo aerodinámico, un

cuerpo romo, y un cuerpo recto,

evidentemente será mucho mejor

seleccionar el cuerpo aerodinámico ya que el

flujo al seguir su trayectoria no se va a

producir ningún vacío y poca perturbación

ya que la fuerza de arrastre es mínima

comparada con los otros cuerpos, además de

que en el cuerpo aerodinámico no se formó

estelas, y todo su flujo es netamente laminar,

por esta razón se usan en los aviones.

También se puede concluir que entre un

cuerpo recto y un cuerpo romo,

evidentemente es mejor seleccionar el

cuerpo romo porque en el cuerpo recto se

producen varios vacíos y muchas estelas y

mayor turbulencias a comparación con los

cuerpos romos.

Se recomienda a todo el estudiantado a

seguir las normas de seguridad que fueron

expuestas por la instructora de la práctica

como por ejemplo usar mascarillas, gafas y

mandil para evitar cualquier contacto del

humo con los ojos o inhalación excesiva del

humo.

En caso de no poder observar de manera

óptima las líneas de flujo, presionar

manualmente la bomba que se encuentra en

la parte lateral del generador y túnel de

humo.

Referencias:

1. White FM. Mecánica de Fluidos.

McGraw-Hill Interamericana de

España S.L.; 2008. 896 p.

2. Cengel YA, Cimbala JM.

Mecánica de fluidos: fundamentos

y aplicaciones. McGraw-Hill;

2006. 992 p.

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Anexos:

Imagen 3: Líneas de corriente pasando a lo largo del cilindro

Imagen 4: Líneas de corriente pasando a lo largo de la placa orificio

Imagen 5: Líneas de corriente pasando a lo largo del Banco de tubos

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Imagen 6: Líneas de corriente a lo largo del ala aerodinámica

Imagen 7: Líneas de corriente a lo largo del codo recto

Imagen 8: Líneas de corriente a lo largo del codo suavizado

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Imagen 9: Líneas de corriente a lo largo de la esfera

Imagen 10: Líneas de corriente a lo largo de codo suavizado con deflectores

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Imagen 11: Generador y túnel de humo

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Preguntas evaluativas:

1. ¿Cuál es la diferencia entre flujo laminar y turbulento, está relacionado con el

número de Reynolds, de qué manera?

El flujo laminar está caracterizado por tener suaves variaciones (orden), porque

ninguna de sus líneas del fluido se cruzan entre sí, en cambio que el flujo turbulento

se caracteriza por tener fuertes y aleatorias fluctuaciones, es decir que el flujo se

moviliza de forma desordenado provocando que las líneas de flujo se crucen entre sí,

creando perturbaciones.

Una forma de conocer matemáticamente cuando un flujo es laminar o turbulento, es

con el Número de Reynolds, el cual es un número adimensional y si Re<2100 el flujo

es laminar, si Re > 4100 el flujo es turbulento y si 2100<Re>4100 el flujo se encuentra

en una fase de transición entre flujo laminar y turbulento.

2. ¿Qué es capa límite y de que depende su espesor?

Es el lugar o zona donde se producen los esfuerzos viscosos y por lo general son

dependientes de las características del objeto que está introducido en el fluido.

3. ¿A que se denomina punto de estancamiento y punto de separación o

desprendimiento en la capa límite?

El punto de desprendimiento es el lugar donde se desprende el flujo del objeto o

cuerpo produciendo una zona de presión negativa y al mismo tiempo pérdidas de

energías. En cambio que punto de desprendimiento es el lugar donde el fluido es

desprendido del objeto y se produce una presión negativa y también pérdida de

energías.