Informe Verificar los modelos de flujo laminar o turbulento, que se presentan cuando está fluyendo un líquido por una tubería.

PRÁCTICA N° 03: EXPERIMENTO DE REYNOLDS.

1. OBJETIVOS:

• Realizar el experimento de Reynolds.
• Verificar los modelos de flujo laminar o turbulento, que se presentan cuando está fluyendo un líquido por una tubería.
• Reafirmar los conceptos teóricos estudiados.
• Hallar el caudal, velocidad promedio a través de la tubería.

1. FUNDAMENTO TEÓRICO.

1. NATURALEZA  DEL FLUJO DE UN FLUIDO.

Cuando un fluido fluyea través de una tubería o sobre una superficie, el modelo de flujo variará con la velocidad, las propiedades físicas del fluido y la geometría de la superficie.

1. EXPERIMENTO DE REYNOLDS.

Osborne Reynolds en 1883 reportó un experimento que es válido hasta nuestros días para demostrar la naturaleza del flujo de un fluido, el aparato que utilizó se representa en la figura 3.1.

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Figura 3.1.  Aparato de  Reynolds para estudiar los modelos de flujo.

En un tanque de vidrio con agua a nivel constante es sumergido un tubo de vidrio con entrada acampanada y diámetro conocido, el flujo de masa o caudal a la salida se controla por medio de una válvula. En el centro del tubo por intermedio de un capilar se introduce una corriente muy fina colorante soluble en agua, en ese punto la velocidad de la corriente del colorante se hace igual a la del agua. A velocidades bajas del flujo de agua, el filamento del colorante se mantiene a lo largo de todo el eje del tubo, tal como se presenta en la figura 3.2, tendiendo a ensancharse muy poco aguas abajo, el ensanchamiento del filamento se debe al fenómeno de difusión molecular del colorante en el agua.

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Figura 3.2. Modelo del flujo a velocidades bajas.

A velocidades mayores como se observa en la figura 3.3. El filamento del colorante se quiebra en porciones finitas de considerable tamaño, corriente abajo estas porciones o remolinos se separan mucho más y el colorante introducido es homogéneamente dispersado.

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Figura 3.3. Modelo del flujo a velocidades moderadas.

A  velocidades  elevadas o altas, como se ve en la figura 3.4, las actividades de los remolinos son muy violentas, prestándose una mezcla total entre el agua y el colorante, la coloración se hace bastante homogénea, se presenta por todo el tubo y se aproxima al punto de inyección del colorante.

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Figura 3.4. Modelo del flujo a velocidades altas.

1. FLUJO LAMINAR Y TURBULENTO.

1. Flujo laminar.

Es un modelo de flujo que se presenta a velocidades bajas del fluido en forma de corrientes paralelas, el fluido se mueve sin mezclar lateral y las capas contiguas se deslizan unas sobres otras, no existe corrientes transversales ni torbellinos, el transporte del fluido es a nivel molecular, figura 3.2.

1. Flujo turbulento.

Es otro modelo de flujo que se presenta a velocidades más altas del fluido, el fluido se desplaza al azar dando lugar a corrientes transversales y remolinos, existe una turbulencia total del fluido, figura 3.4. el experimento de Reynolds demuestra claramente la naturaleza de la transición entre flujo laminar y turbulento de un fluido, existe dos velocidades críticas una mayor y otra menor, la mayor indica que por debajo de ellas las oscilaciones del flujo son inestables y la menor indica que por encima de ella también existe un flujo en estado en transición.

1. Diferencia del flujo laminar y turbulento.

La diferencia entre el movimiento laminar y el movimiento turbulento se dará en base a la velocidad critica, de esta forma cuando la velocidad media en la sección es menor que la velocidad crítica el movimiento es laminar y si la velocidad media en la sección es mayor que la velocidad crítica el movimiento es turbulento. La velocidad crítica, a su vez, dependerá del diámetro del tubo y del valor de la densidad y viscosidad del fluido, habiéndose comprobado que cualquiera que sea el fluido se presenta condiciones críticas cuando el llamado número de Reynolds, que es adimensional, supera a un valor experimental del orden de 2000.

1. NÚMERO DE REYNOLDS.

El número de Reynolds, NRe fue propuesta por Osborne Reynolds como un criterio para determinar la naturaleza del flujo en conducciones y tuberías. Reynolds encontró que la velocidad crítica, para que un flujo pase de laminar a turbulento depende de cuatro variables:

1. Diámetro del tubo.
2. Viscosidad.
3. Densidad.
4. Velocidad lineal media del líquido.

Estas cuatro variables pueden combinarse para formar un grupo, que indica que el cambio del modelo de flujo se presenta para dos valores definidos por el NRe. Para NRe inferiores a 2100 se presenta siempre flujo laminar, para NRe superiores a 4000 se presenta siempre flujo turbulento. Entre 2100 y 4000 existe una región en transición o estado inestable donde el tipo de flujo puede ser laminar o turbulento, dependiendo de las condiciones del sistemas.

Número de Reynolds para fluidos newtonianos.

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Donde:

 Diámetro interno del tubo, m.[pic 69]

 Velocidad lineal promedio del líquido, m/s.[pic 70]

 Viscosidad del líquido, Pa-s.[pic 71]

 Densidad del líquido, Kg/m3.[pic 72]

 Viscosidad cinemática del líquido, m/s2[pic 73]

1. MATERIALES Y MÉTODOS.

1. Materiales.

• Equipo experimental de Reynolds.
• Manguera.
• Balde.
• Tubos.
• Probeta.
• Cronómetro.

• Descripción de equipo.[pic 74]

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1. El equipo está constituido por un pequeño tanque que es alimentado mediante un tubo de plástico con agua potable desde un caño.[pic 81][pic 82][pic 83][pic 84][pic 85][pic 86][pic 87][pic 88][pic 89][pic 90][pic 91][pic 92][pic 93][pic 94][pic 95][pic 96][pic 97][pic 98][pic 99][pic 100][pic 101][pic 102][pic 103][pic 104][pic 105][pic 106][pic 107][pic 108]
2.  En la parte superior del tanque se encuentra un rebosadero y por la base inferior del mismo está instalada una tubería de vidrio que contiene al final una válvula del globo. [pic 109][pic 110][pic 111][pic 112]
3. El  rebosadero sirve para mantener constante una determinada altura de líquido y el caudal circulante por el tubo de vidrio sirve para visualizar los modelos de flujo cuando se inyecta otro líquido otro líquido de color diferente.

• Procedimiento experimental.

1. Poner operativo el equipo experimental de Reynolds, realizar las conexiones a la fuente de alimentación y del rebosadero.[pic 113][pic 114][pic 115][pic 116][pic 117][pic 118][pic 119][pic 120][pic 121][pic 122][pic 123][pic 124][pic 125][pic 126][pic 127][pic 128][pic 129][pic 130][pic 131][pic 132][pic 133][pic 134][pic 135][pic 136][pic 137][pic 138][pic 139][pic 140][pic 141][pic 142][pic 143][pic 144][pic 145][pic 146][pic 147][pic 148][pic 149]
2. Hacer fluir agua a muy baja velocidad, manipulando la válvula de control de flujo (globo) que se está al final de la tubería.
3. Colocar un pequeño balde a la salida del agua y controlar el tiempo para un determinado volumen.
4. Luego cargar tinta azul en una jeringa e inyectar por la parte superior y central del tubo de vidrio y observar el comportamiento del fenómeno poniendo detrás del tubo de vidrio un papel blanco.
5.  Repetir el experimento abriendo la válvula de globo para aumentar el caudal y visualizar los modelos de flujo desde laminar a turbulento, pasando por el estado en transición.

1. DATOS Y RESULTADOS.

1. Datos:

• Diámetro del tubo de vidrio: D = 15mm = 15*10-3m.
•  a una temperatura de 18°C.[pic 150]
•  a una temperatura de 20°C.[pic 151]

1. Resultados:

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