Experimento Reynolds

EXPERIMENTO REYNOLDS

PRÁCTICA 1

INTRODUCCIÓN

        Podemos encontrarnos con sistemas de conductos en prácticamente cualquier diseño ingenieril. Aquí aparece uno de los problemas prácticos más importantes que nos surgen en la ingeniería de fluidos, los relacionados con los que estudian el comportamiento de distintos fluidos circulando a diferentes velocidades a través de conductos con diferentes geometrías. Este hecho, nos lleva a tener en consideración varios factores a la hora de diseñar sistemas de tuberías, tales como las propiedades del flujo (velocidad, viscosidad, densidad, etc.) la geometría del conducto y del resto de elementos adicionales del sistema (codos, válvulas, turbinas, bombas, etc.) y el propio caudal del proyecto.

        En la actualidad, no nos es posible realizar un único análisis general para el comportamiento del movimiento de un flujo. En conductos, esta situación se debe a que en el orden de número de Reynolds = 2 x 103, comienza a producirse un cambio en el movimiento del fluido (transición) que pasa de ordenado (laminar) a caótico (turbulento) (R. Fernández Feria, 2001).

        La caracterización experimental de esta transición entre el régimen laminar hacia el turbulento que un flujo sufre en un conducto es el objetivo principal de este trabajo.

DESARROLLO

Materiales y métodos

        El esquema del montaje experimental del trabajo se muestra en la ilustración 1. Visualizamos el comportamiento del movimiento del fluido en el conducto transparente. La caída de presión la obtenemos en la entrada del conducto y comparándola con el extremo contrario del mismo, donde la presión de salida es la presión atmosférica. El depósito estabilizador de caudal recibe el agua y, como su nombre indica, estabiliza y evita fluctuaciones que origina la bomba, para después pasar por el caudalímetro electromagnético, obteniendo la lectura digital. Gracias a la tobera, podemos visualizar de una manera más correcta la transición del flujo de laminar a turbulento en el interior del conducto. El camino desde la salida del conducto hasta el depósito estabilizador, el agua lo realiza a través de una bomba conectada entre el mismo y otro depósito de recogida.

        [pic 1][pic 2]

En este experimento, se utilizan partículas de ‘mearlmaid’^[1] disueltas en agua, debido a que reflejan bien la luz. Iluminamos el conducto desde su parte inferior mediante dos lámparas que producen una luz intensa y las partículas reflejan esta luz permitiendo la visualización de la estructura del flujo durante los diferentes caudales o números de Reynolds. Indicamos que esta visualización se diferencia de la original planteada por Osborne Reynolds, donde un colorante era inserido en el centro de la entrada del conducto.

[pic 3]

Ilustración 2. Manómetro

        La medición de la caída de presión usamos un manómetro formado por un tubo inclinado un ángulo α = 20º en relación con la horizontal. Para facilidad de cálculo, partimos de un valor constante x1 para medir solamente la variación de flujo que aparece en x2 obteniendo el caudal Q que circula por el conducto.  

                        (1)[pic 4]

Expresamos la caída de presión del caudal en función de g como la aceleración de la gravedad y la densidad del agua ρ. Para calcular esta última, tomamos la temperatura del agua a un valor constante de 21ºC, esta temperatura la usaremos para hallar la viscosidad del agua también. Para su cálculo se utilizarán las siguientes expresiones semi-empíricas:

                       (2)[pic 5]

                               (3)[pic 6]

,                                       (4)[pic 7]

       .                                 (5)[pic 8]

La ecuación (3) la debemos operar de tal forma (6), pues es esencial calcular la viscosidad con precisión, dependiente de la temperatura, para obtener correctamente el número de Reynolds (7)

                                           (6)[pic 9]

                         ,                                                   (7)[pic 10]

donde la velocidad media V está relacionada con el caudal Q mediante

,                                                    (8)[pic 11]

Resultados y discusión

        Para la realización de la práctica, variamos el caudal circulante en el conducto y medimos la caída de presión que sucedió entre los extremos de este. Al mismo tiempo, observamos las alteraciones que ocurrieron en el comportamiento del movimiento, gracias a la iluminación, de las partículas inoculadas en el fluido determinando el paso de régimen laminar a turbulento, al cual denominamos transición. En primer lugar, determinamos la posición fija de x0 mediante la señalización de una línea perpendicular a la dirección del manómetro y procedimos a la abertura de la válvula de regulación del caudal desde su punto de partida de cerrada, con la intención de que el número de Reynolds fuese lo menor posible en el punto de partida de la práctica.

A cada nueva posición de la válvula de regulación del caudal, realizamos las anotaciones de las siguientes mediciones y observaciones:

• La lectura del caudal en el caudalímetro.
• La posición x2.
• Descripción del flujo observando el comportamiento del movimiento de las partículas, anotando el régimen del flujo.
• Constatación que la temperatura sea constante.

Anotamos todos estos datos en la tabla 1 y realizando las operaciones pertinentes, representamos también el número de Reynolds en función de (7), la caída de presiones existente entre ambos extremos del conducto, la descripción del régimen del flujo (laminar o turbulento). Una vez calculado el número de Reynolds correspondiente a cada caudal Q, lo comparamos con los resultados teóricos, mediante el uso del coeficiente de fricción de Fanning (8),

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