Laboratorio de mecánica y fluidos

1.- Introducción:

        En la segunda experiencia del laboratorio de mecánica y fluidos, se estudiara el comportamiento que tiene un fluido al descargarse a través de diferentes tipos de orificio, realizando mediciones y cálculos para determinar los coeficientes de contracción, de velocidad y de caudal para los distintos tipos de orificios.        

        1.1.- Marco Teórico:

El estudio del comportamiento de los fluidos a través de orificios es fundamental para las instalaciones hidráulicas, ya que se utilizan los orificios para crear una descarga de fluido.

Un orificio es una abertura limitada por una curva cerrada de forma regular que da paso a una corriente de agua. A un orificio con la superficie lateral prolongada, por ejemplo, con longitud dos o tres veces el diámetro, o cuando se ha practicado una abertura de pared gruesa se llama tubo. A la corriente de agua que sale por un orificio se llama vena líquida o vena fluida, y a la altura del manto de agua que produce la descarga, se llama carga. A un orificio cuyo borde es agudo se llama arista viva.

El caudal de llegada es el que conduce hasta un orificio y a la velocidad media del líquido en este canal se le llama velocidad e llegada o acceso y a la velocidad media del líquido en la vena, se le llama velocidad en la vena. Si la vena descarga al aire, el orificio tiene descarga libre. Se califica a un orificio de vertical u horizontal según esté situado en un plano vertical o en uno horizontal (figura 1). Los orificios pueden ser circulares, cuadrados, rectangulares o de cualquier otra forma regular.

[pic 1]

Figura 1 “Descarga libre”

[pic 2]

        Figura 2 “Descarga libre”

1.2.- Objetivos:

El objetivo general de esta experiencia es estudiar la descarga libre de fluidos a través de medidores o reguladores de caudal (diferentes tipos de orificios).

Aparte se plantean los siguientes objetivos:

• Determinar experimentalmente los coeficientes de contracción, velocidad y el coeficiente de caudal para cuatro diferentes tipos de orificios
• Describir la trayectoria del fluido que provoca cada uno de los orificios, para luego confrontarlos y concluir acerca del alcance máximo de cada chorro
• Determinar en forma teórica y práctica el tiempo de vaciado del estanque de la instalación
• Determinar de forma experimental el caudal evacuado por cada orificio.

1.3.- Esquemas de las instalaciones:

                El montaje del experimento es el siguiente:[pic 3]

                Para esta experiencia se necesitaron los siguientes materiales:

• Termómetro digital
• Cronometro digital
• Recipiente de 3 litros
• Plumón
• Regla
• Pie de metro.

1.4.- Procedimiento experimental:

Para realizar esta experiencia primeramente se necesita llenar el estanque A y posteriormente el estanque B, con el fluido a estudiar, en este caso agua líquida, para esto se necesita colocar el orificio que corresponda, en primera instancia será el de Tobera, luego Canto afilado, Pared gruesa y finalmente Tubo estándar, después de colocar el orificio se debe colocar la placa obstructora para empezar a llenar el estanque A, para esto se debe encender la bomba para que haga circular el fluido, y también el sensor de nivel, ya que cuando el agua alcance una cierta altura dentro del estanque (25 [cm]) este debe detenerse, con el estanque lleno se debe tomar la temperatura en el inicio del experimento y registrarlo en la tabla.

Para realizar las mediciones correspondientes a los coeficientes de contracción, velocidad, y de caudal para los distintos tipos de orificios, se debe disponer a sacar la placa obstructora para que el fluido pase a través del orifico, cuando el chorro salga del estanque se debe proceder a medir el diámetro de la vena contracta y registrarlo en la tabla de datos, luego de esto se deben registrar los puntos por donde pasa el chorro de agua, con la ayuda de una tabla cuadriculada ubicada sobre el estanque B, con los puntos graficados, y la trayectoria descrita del chorro de agua, se deben realizar las mediciones para todos los puntos que se marcaron el tabla y registrarlos.

Para realizar las mediciones de caudal se debe llenar el recipiente de 3 litros de volumen y tomar el tiempo que demora en llenarlo, luego registrarlo en la tabla.

Para calcular el tiempo de desagüe del estanque A, se debe apagar la bomba, para que el estanque no se llene nuevamente, y proceder a tomar el tiempo que demora en vaciarse desde los 24,5 [cm] de altura, hasta los 20 [cm] de altura, esto con la ayuda del visor de nivel que se encuentra fuera del estanque A.

Este procedimiento se debe realizar para cada tipo de orificio, y se deben registrar todos los datos en la tabla. Una vez terminado el experimento se debe tomar la temperatura final del fluido en el estanque y registrarla.

2.- Presentación de resultados:

        A continuación, se presentan los resultados obtenidos de los cálculos y las mediciones realizadas en la experiencia:

• Determinación de los coeficientes de contracción:

        Para el cálculo de los coeficientes se utiliza la siguiente fórmula:

[pic 4]

• Todos los orificios tienen 15 mm de diámetro, por lo que se tiene:

                                [pic 5]

                Luego,

                         [pic 6]

Los diámetros y áreas de la vena contracta, utilizando el mismo procedimiento anterior son los siguientes:

                                                                                  Tabla 1 “Área y diámetro contracto”

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