INFORME DE LABORATORIO EXPERIENCIA 2 – DINÁMICA DE FLUIDOS

INFORME DE LABORATORIO

EXPERIENCIA 2 – DINÁMICA DE FLUIDOS

Resumen

El presente informe da a conocer como el comportamiento de un fluido en régimen laminar, transición y turbulento es reflejado por medio del movimiento de un hilo de tinta que fluye por el líquido al variar el caudal, pasando de ser continuo a fluctuante. Junto con esto, el tipo de escurrimiento que presente el fluido se ve reflejado por el cálculo del número de Reynolds.

Por otra parte, también se presentan las mediciones de las distintas presiones dentro de un tubo por el que fluye aire para así poder describir y visualizar el perfil de velocidad de este.

Los métodos de obtención de datos, cálculos, resultados y conclusiones acompañan la descripción de la experiencia de laboratorio Dinámica de Fluidos.

1. INTRODUCCIÓN

Los dos tipos principales de flujos son: flujos laminares (Fig. 1) y flujos turbulentos (Fig.2). Un flujo se denomina laminar cuando se encuentra perfectamente ordenado, estratificado y suave. Dicho fluido se mueve en láminas paralelas sin mezclarse entre ellas, debido a que sus capas adyacentes se deslizan suavemente entre sí desplazándose por una trayectoria llamada línea de corriente. Por otro lado, un flujo se considera turbulento cuando el fluido se mueve en trayectorias erráticas, es decir, de forma muy irregular sin seguir un orden establecido, formando pequeños remolinos no coordinados. Generalmente los fluidos son laminares cuando se encuentran a velocidades relativamente bajas o a altas viscosidades, mientras que un fluido es turbulento cuando la velocidad de este es alta o cuando se encuentran obstáculos abruptos en el movimiento del fluido.

[pic 1][pic 2]

                 Figura 1: Flujo laminar.                                                      Figura 2: Flujo turbulento.

El flujo se puede medir mediante un instrumento llamado tubo de Pitot (Fig.3), el que permite determinar de forma muy precisa la velocidad de un fluido dentro de una tubería a través de la medición de la presión de estancamiento (suma de la presión dinámica y estática). Dicho instrumento está constituido por dos tubos que detectan la presión en dos puntos distintos de la tubería. Pueden montarse por separado o agrupados dentro de un alojamiento, formando un dispositivo único. Uno de los tubos mide la presión de impacto en un punto, y el otro mide únicamente la presión estática, generalmente mide dos presiones simultáneamente, la presión de impacto (pt) y presión estática (ps).

[pic 3][pic 4][pic 5]

Figura 3: Tubo de Pitot

El número de Reynolds es una magnitud adimensional que representa la relación entre la viscosidad y la inercia en el movimiento de un fluido, sin embargo, este valor también depende de la geometría del[pic 6]

sistema. El número de Reynolds se calcula mediante la siguiente fórmula:

                  (1)

[pic 7]

Además, permite determinar si un fluido es laminar, turbulento o se encuentra en estado de transición. En caso de que el medio por el cual se mueve el fluido sea un tubo de sección circular, el flujo persistente será laminar por debajo de un número de Reynolds crítico de 2300, mientras que, si se encuentra sobre un valor crítico de 4000, el flujo sería considerado como turbulento. Y si el valor se oscila entre ambos extremos, el fluido en pertenecería al estado de transición.

Se denomina caudal a la cantidad de fluido que circula a través de una sección de un ducto, ya sea tubería, cañería, oleoducto, río, canal, por unidad de tiempo. Generalmente, se identifica con el flujo volumétrico o volumen que pasa por un área determinada en una unidad de tiempo. El caudal se determina con la siguiente fórmula:

                                                   [pic 8]

Donde:

                                 [pic 9][pic 10][pic 11]

Al realizar esta experiencia se pretende diferenciar un fluido laminar de uno turbulento por medio del número de Reynolds, además, se obtendrán y analizarán las velocidades del caudal en distintos puntos distribuidos radialmente en la sección transversal del ventilador, permitiendo así obtener el perfil de velocidades. La velocidad se calculará con la siguiente fórmula:

[pic 12]

                                                                                                (3)

1. METODOLOGÍA

1. Tubo de Reynolds

Por medio de esta experiencia fue posible visualizar el comportamiento del fluido tanto en régimen laminar como turbulento. Para ello, utilizando un tubo por el que fluía agua desde un estanque e inyectando tinta, fue posible distinguir el comportamiento del fluido.

Inicialmente, al fluir un caudal a una velocidad determinada, el hilo central de la tinta era relativamente continuo, reflejando ser un fluido en régimen laminar. Luego, al aumentar el caudal, con algo de dificultad fue posible visualizar el momento de transición (paso desde un régimen laminar a turbulento), al ver la tinta fluir con un movimiento más oscilante que el caso anterior. Posterior a esto, al abrir aún más la llave que permite el paso del agua (aumentando la velocidad del fluido), el hilo de tinta se volvió más caótico, reflejando un comportamiento turbulento del agua.

Estando el fluido en este estado, se midió el caudal utilizando una probeta y cronómetro. Para ello, se midió el volumen que salía desde el tubo por un tiempo determinado, medición que se realizó en tres oportunidades, permitiendo conocer el caudal aproximado del agua.

Considerando esta medición, sabiendo que el diámetro del tubo es de 2 cm. y conociendo la densidad del agua y su viscosidad, es posible conocer el número Reynolds, valor que indica el tipo de escurrimiento del fluido.

Los cálculos y resultados se presentan en la sección Mediciones y Resultados.

1. Ventilador axial

Esta experiencia de laboratorio permitió visualizar la distribución de velocidades dentro de un tubo por medio de las mediciones de presiones al interior de este.

Para ello, utilizando un tubo de Pitot, se realizaron 6 mediciones de presiones dinámica y estática al interior del tubo, mientras que dentro de este fluía aire gracias al uso de un ventilador. Estas mediciones se realizaron cada 5 cm. a lo largo del diámetro del tubo (30 cm.) y el valor se obtuvo por medio del uso de un manómetro digital.

Esta experiencia se realizó dos veces, cada una de ellas con distinto caudal y midiendo tanto la presión dinámica (diferencia entre la presión total y estática) a las distintas distancias, cómo la presión estática (valor obtenido al quitar una de las mangueras al manómetro).

Conociendo estos valores y teniendo en cuenta una temperatura de 10°C y la presión atmosférica, es posible conocer las distribuciones de velocidad y presiones (dinámicas, estáticas y totales). Los cálculos y resultados se presentan a continuación.

1. MEDICIONES Y RESULTADOS

Resultados Experiencia 1, Tubo de Reynolds

Con el objetivo de obtener el número de Reynolds, se realizaron las siguientes mediciones.

Luego de observar el comportamiento del hilo de tinta que fluía a distintos caudales, se midieron los tiempos de llenado de distintos volúmenes de agua. A partir de estos datos se obtuvo el caudal que circulaba por el tubo de 2 [cm] usando la ecuación (2).

En la siguiente tabla se muestran las mediciones antes mencionadas:

Tabla 1

Tabla 1. Datos de tiempo y volumen de llenado de una probeta. Cálculo de caudal.

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