º

FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL,

SISTEMAS

Y ARQUITECTURA

ESCUELA PROFESIONAL DE

INGENIERIA CIVIL

CURSO : MECÁNICA DE FLUIDOS

II

Nº DE PRÁCTICA: 01

ALUMNO : SILVA MORA ANGEL

CODIGO : 061906-K

DOCENTE:

Ing. ZELADA ZAMORA WILMER

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Lambayeque, febrero del 2011.

INDICE

Introducción……………………………………………………….. 03

Objetivos…………………………………………………………….04

Materiales……….………………………………………………….. 04

Resumen de la teoría….…………………………………………… 06

Procedimiento………………………………………………………. 10

Tabla de Mediciones, Cálculos y Resultados…………………………………………………………... 12

Reflexiones……………………………………………….……….….15

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INTRODUCCION

Cuando entre dos partículas en movimiento  existe gradiente de velocidad, o sea que una se mueve más rápido que la otra,  se desarrollan fuerzas de fricción que actúan tangencialmente a las mismas.

Las fuerzas de fricción tratan de introducir  rotación entre las partículas en movimiento, pero simultáneamente la viscosidad trata de impedir la rotación.  Dependiendo del valor relativo de estas fuerzas se pueden producir diferentes estados de flujo.

Cuando el gradiente de velocidad es bajo, la fuerza de inercia es mayor que la de fricción, las partículas se desplazan pero no rotan, o lo hacen pero con muy poca energía, el resultado final es un movimiento en el cual las partículas siguen trayectorias definidas, y todas las partículas que pasan por un punto en el campo del flujo siguen la misma trayectoria.  Este tipo de flujo fue identificado por  O. Reynolds y se denomina “laminar”, queriendo significar con ello que las partículas se desplazan en forma de capas o láminas.

Al aumentar el gradiente de velocidad se incrementa la fricción entre partículas vecinas al fluido, y estas adquieren una energía de rotación apreciable, la viscosidad pierde su efecto, y debido a la rotación las partículas cambian de trayectoria.  Al pasar de unas trayectorias a otras, las partículas chocan entre sí y cambian de rumbo en forma errática.  Éste tipo de flujo se denomina "turbulento".

El flujo "turbulento" se caracteriza porque:

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.

Cuando las fuerzas de inercia del fluido en movimiento son muy bajas, la viscosidad es la fuerza dominante y el flujo es laminar.  Cuando predominan las fuerzas de inercia el flujo es turbulento. Osborne Reynolds estableció una relación que permite establecer el tipo de flujo que posee un determinado problema.

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OBJETIVOS

Objetivo Principal

Observar el régimen laminar, de transición y turbulento en un flujo, así como el perfil de sus velocidades reproduciendo la experiencia de Osborne Reynolds

Objetivos Secundarios

Verificar mediante los cálculos matemáticos si el régimen estudiado es laminar, de transición o turbulento.

Calcular el número de Reynolds para cada caso.

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MATERIALES

FME 00 – BANCO HIDRAULICO

Sistema modular que ha sido desarrollado para investigar experimentalmente los muchos y diferentes aspectos de la teoría hidráulica.

Una bomba centrífuga aspira el agua de un tanque sumidero y la eleva por un tubo vertical. En un panel adosado al exterior se halla dispuesta una válvula de control que se utiliza para regular el caudal que circula por el tubo, el cuál termina en una boquilla emplazada en el canal y provista de un conector de conexión rápida. Éste conector permite instalar rápidamente distintos accesorios, equipados con un conducto flexible terminado en conector hembra para su acoplamiento. También es posible efectuar acoplamientos especiales con la bomba desenroscando el conector. Para ninguna de estas operaciones se precisan herramientas.

Una válvula de desagüe se encuentra situada en el tabique vertical accesible del tanque sumidero para facilitar su vaciado.

PROBETA GRADUADA

Cilíndrica y graduada en ml., de capacidad de 1litro, usada para contener el fluido.

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CRONOMETRO

Usado para determinar el tiempo en cada ensayo, volumen pequeño, medio y grande.

FME 06– EQUIPO PARA LA DEMOSTRACION DE OSBORNE-REYNOLDS

El módulo consiste en un depósito cilíndrico dotado de una tobera acoplada a un tubo de metacrilato, que permite la visualización del fluido.Un rebosadero que garantiza la homogeneidad del caudal y una aguja acoplada a un depósito desde el que se suministra el colorante. El agua se suministra desde el Banco Hidráulico (FME00) ó el Grupo de Alimentación Hidráulica Básico (FME00/B).La visualización del régimen laminar o turbulento se puede realizar actuando sobre la válvula de control de flujo.

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ESPECIFICACIONES

Diámetro interior del tubo: 10mm. Diámetro exterior del tubo: 13 mm. Longitud de la tubería de visualización: 700 mm. Capacidad del depósito de colorante: 0,3 litros. Capacidad del depósito: 10 litros. Válvula de control de flujo: tipo de membrana. La inyección de colorante se regula con una

válvula de aguja. Sistema de conexión rápida incorporado. Estructura de aluminio anodizado y paneles en

acero pintado.

DIMENSIONES Y PESO

Dimensiones: 1250 x 450 x 450 mm. aprox. Peso: 20 Kg. aprox.

RESUMEN DE LA TEORIA

CLASIFICACIÓN DEL FLUJO

El movimiento de los fluidos puede clasificarse de muchas maneras, según diferentes criterios y según sus diferentes características, este puede ser:

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Flujo turbulento: Este tipo de flujo es el que más se presenta en la práctica de ingeniería. En este tipo de flujo las partículas del fluido se mueven en trayectorias erráticas, es decir, en trayectorias muy irregulares sin seguir un orden establecido, ocasionando la transferencia de cantidad de movimiento de una porción de fluido a otra, de modo similar a la transferencia de cantidad de movimiento molecular pero a una escala mayor.

En este tipo de flujo, las partículas del fluido pueden tener tamaños que van desde muy pequeñas, del orden de unos cuantos millares de moléculas, hasta las muy grandes, del orden de millares de pies cúbicos en un gran remolino dentro de un río o en una ráfaga de viento.

Cuando se compara un flujo turbulento con uno que no lo es, en igualdad de condiciones, se puede encontrar que en la turbulencia se desarrollan mayores esfuerzos cortantes en los fluidos, al igual que las pérdidas de energía mecánica, que a su vez varían con la primera potencia de la velocidad.

En situaciones reales, tanto la viscosidad como la turbulencia contribuyen al esfuerzo cortante:

Flujo laminar: Se caracteriza porque el movimiento de las partículas del fluido se produce siguiendo trayectorias bastante regulares, separadas y perfectamente definidas dando la impresión de que se tratara de laminas o capas más o menos paralelas entre si, las cuales se deslizan suavemente unas sobre otras, sin que exista mezcla macroscópica o intercambio transversal entre ellas.

Esta ley establece la relación existente entre el esfuerzo cortante y la rapidez de deformación angular. La acción de la viscosidad puede amortiguar cualquier tendencia turbulenta que pueda ocurrir en el flujo laminar.

En situaciones que involucren combinaciones de baja viscosidad, alta velocidad o grandes caudales, el flujo laminar no es estable, lo que hace que se transforme en flujo turbulento.

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El objetivo de esta práctica es de 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.

Podremos observar que los resultados experimentales se ajustan notablemente a las predicciones del flujo laminar para valores bajos del número de Reynolds R, hasta aproximadamente 2300, y se ajustan a las predicciones del flujo turbulento para valores de R mayores que 4000 aproximadamente. Mientras que los valores intermedios de R cubren una amplia región en la que se produce la transición de flujo y ninguna de las dos teorías reproduce satisfactoriamente los resultados experimentales.

El número de Reynolds es el número adimensional:

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Donde D es el diámetro del tubo, ρ la densidad del fluido, y η la viscosidad, y v su velocidad.

Para fluidos no ideales la ecuación de Bernoulli toma la forma

donde el término H se denomina "pérdida de carga". Si el fluido es ideal H=0,

PROCEDIMIENTO

Llenar el depósito con permanganato de potasio. Colocar el aparato sobre el canal del Banco Hidráulico y conectar su tubería de alimentación a la impulsión del Banco.

Baja el inyector, mediante el tornillo, hasta colocarlo justo sobre la tobera de entrada al tubo de visualización de flujo. Cerrar la válvula de control de flujo.

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El tubo de salida del rebosadero deberá introducirse por en el aliviadero del Banco.

Poner en marcha la bomba y llenar lentamente el depósito hasta alcanzar el nivel del rebosadero; después cerrar la válvula de control del Banco Hidráulico y parar la bomba.

Abrir y cerrar la válvula de control de flujo para purgar el tubo de visualización. Dejar que se remanse completamente el líquido en el aparato dejando pasar al menos diez minutos antes de proceder al experimento.

Medir la temperatura del agua.

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Poner en marcha la bomba y abrir cuidadosamente la válvula de control del Banco hasta que el agua salga por el rebosadero.

Abrir parcialmente la válvula de control y ajustar la válvula de inyección de colorante hasta conseguir una corriente lenta con colorante. Mientras el flujo de agua sea lento, el colorante traza una línea en el centro del tubo de visualización.

Incrementando el flujo, abriendo progresivamente la válvula de control irán apreciándose alteraciones hasta que finalmente, colorante se dispersa completamente en el agua.

Para observar el perfil de la distribución de velocidades, el depósito estará necesariamente abierto permitiendo que el colorante caiga a gota en el tubo de visualización. Cuando la válvula de control está abierta, en el régimen laminar la gota adopta un perfil de paraboloide.

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TABLA DE MEDICIONES, CALCULOS Y RESULTADOS

A) Valores obtenidos en la práctica.

Volumen de agua

(m3)Tiempo (s) Caudal

(m3/s)

0.000152 94 1.617E-060.000125 101 1.238E-060.000241 54 4.463E-060.000161 31 5.194E-060.000405 15 2.700E-05

0.0003 13 2.308E-050.00071 6 1.183E-04

B) Cálculos:

En primer lugar se procedió a calcular la velocidad correspondiente para cada caso, previo cálculo de la sección de la tubería con un D=10 mm.

Volumen de agua

(m3)Tiempo (s) Caudal

(m3/s)V (m/s)

0.000152 94 1.617E-06 2.059E-020.000125 101 1.238E-06 1.576E-020.000241 54 4.463E-06 5.682E-020.000161 31 5.194E-06 6.613E-020.000405 15 2.700E-05 3.438E-01

0.0003 13 2.308E-05 2.938E-010.00071 6 1.183E-04 1.5067

Ahora, para calcular la viscosidad cinemática del agua a una T= 23 ºC se tuvo que interpolar los valores correspondientes a una T=20 ºC y T=30 ºC contenidas en tablas de los anexos de la bibliografía utilizada.

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D= 0,01 A= 7,85398E-05

T° v

20 °C 1.01E-06

23 °C x

30°C 8.04E-07

310

= v−1.007∗10−6

0.804∗10−6−1.007∗10−6

v=0.9461∗10−6

Una vez obtenida la viscosidad cinemática del agua para una T= 23 ºC, se procedió a calcular el número de Reynolds para cada caso con la siguiente fórmula:

R=V xD

ν

Volumen de agua

(m3)

Tiempo (s)

Caudal (m3/s)

V (m/s)

Numero de

Reynolds R

Tipo de Flujo

0.000152 94 1.617E-06 2.059E-02 2.176E+02 Laminar0.000125 101 1.238E-06 1.576E-02 1.666E+02 Laminar0.000241 54 4.463E-06 5.682E-02 6.006E+02 Laminar0.000161 31 5.194E-06 6.613E-02 6.990E+02 Laminar

0.000405 15 2.700E-05 3.438E-01 3.634E+03 Transicional

0.0003 13 2.308E-05 2.938E-01 3.105E+03 Transicional

0.00071 6 1.183E-04 1.5067 1.593E+04 Turbulento

CONCLUSIONES

¿Concuerdan los resultados obtenidos con los citados estudios teóricos? En caso contrario indicar posibles discrepancias

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Régimen visualizado

Caudal (m3/s)

V (m/s)

Numero de

Reynolds R

Tipo de Flujo

Teórico

Laminar 1.617E-06 2.059E-02 2.176E+02

Laminar

Laminar 1.238E-06 1.576E-02 1.666E+02

Laminar

Transicional

4.463E-06 5.682E-02 6.006E+02

Laminar

Transicional

5.194E-06 6.613E-02 6.990E+02

Laminar

Turbulento 2.700E-0.5

3.438E-01 3.634E+03

Transicional

Turbulento 2.308E-0.5

2.938E-01 3.105E+03

Transicional

Turbulento 1.183E-0.4

1.5067 1.593E+04

Turbulento

Podemos observar que los datos obtenidos según las formulas empleadas no concuerdan

con el régimen visualizado, esto puede haber ocurrido debido a que siempre existe un

error al tomar los datos de tiempo o volumen.

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