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Escuela de Ingeniería Civil Universidad Industrial de Santander Construimos Futuro

LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS

PRÁCTICA N°8: DEMOSTRACION OSBORNE REYNOLDS

Laboratorista: RICARDO MONTAÑA

Grupo C: ANGIE ALEJANDRA ARÉVALO MENDOZA (2174605) DAYANA CAROLINA MARÍN GONZÁLEZ (2174593) SARAH NICOLLE CUADROS CARRILLO (2174603)

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER BUCARAMANGA - SANTANDER 2020

1

Escuela de Ingeniería Civil Universidad Industrial de Santander Construimos Futuro RESUMEN Este informe contiene el ensayo de los fluidos en movimiento, como es su flujo a través de tubos circulares y no circulares. Los fluidos se clasifican o se diferencian en 3 regímenes: Laminar, transición y turbulento. En este ensayo podremos estudiar de que forma el número de Reynolds puede determinar el régimen del fluido, a través de su caudal.

INTRODUCCIÓN Las principales aplicaciones del número de Reynolds abarcan trabajos de interés en distintos campos de la industria, ya que las investigaciones sobre la teoría de la dinámica de fluidos han previsto una serie de números adimensionales como número de Froude. Es importante conocer qué tipo de fluido es, para entender como este fluido puede ser transportado de un lugar a otro. Como para determinar las necesidades de bombeo en un sistema de abastecimiento de agua, deben calcularse las caídas de presión ocasionadas por el rozamiento en las tuberías. En este laboratorio observaremos como fluye los fluidos en un tubo al aumentar su caudal y se comparara los datos obtenidos en el laboratorio con lo teórico. OBJETIVOS  Determinar visualmente las características de un régimen laminar, de transición y turbulento.  Calcular el número de Reynolds y relacionar su valor al régimen que se está visualizando. MARCO TEÓRICO 

Teoría de Osborne- Reynolds Su uso adquiere importancia para conocer el tipo de flujo, lo cual lleva a conocer la estructura interna del régimen de un fluido en movimiento para estudiarlo detalladamente. Este análisis es importante en los casos donde el fluido debe ser transportado de un lugar a otro. Los diferentes regímenes de flujo y la asignación de valores numéricos de cada uno fueron reportados por Osborne Reynolds en 1883. Reynolds observo que el tipo de flujo adquirido por un fluido que fluye dentro de una tubería deprende de la velocidad de los líquidos, el diámetro de la tubería y de algunas propiedades físicas del fluido. Este número es adimensional. [1]



Fuerzas inerciales Los números de Reynolds y Froude proveen un modo de expresar la naturaleza del flujo en términos de su comportamiento dinámico. Número de Reynolds. Expresa la relación entre las fuerzas inerciales y viscosas dentro de un fluido y entonces el grado de turbulencia. Se calcula usando la ecuación:

ℜ=

2

ρVprom D Fzas inerciales = μ Fzas viscosas

Escuela de Ingeniería Civil Universidad Industrial de Santander Construimos Futuro Las fuerzas inerciales s la que actúa sobre la masa cuando un cuerpo está sometido a una aceleración y sólo es detectable por lo que está ligado a ese sistema acelerado. 

Fuerza viscosa Medida de la resistencia al flujo de un fluido. Las fuerzas viscosas en un fluido son proporcionales a la tasa con la cual cambia la velocidad del fluido en el espacio; la constante de proporcionalidad es la viscosidad. Para líquidos newtonianos (líquidos que no muestran variación de viscosidad con el índice de cizallamiento o de extensión) la relación entre la viscosidad por extensión con respecto a la viscosidad por cizallamiento es 3. [2]



Perfil de velocidad  Flujo laminar Tipo de movimiento de un fluido cuando este es perfectamente ordenado. De manera que el fluido se mueve en láminas paralelas sin entremezclarse. Las capas adyacentes del fluido se deslizan suavemente entre sí. El mecanismo de transporte es exclusivamente molecular. En flujo laminar, el fluido fluye sin mezclado de sus partículas entre sí. [3]

Figura 1. Perfil de velocidad del flujo laminar.

 Flujo Turbulento El perfil de velocidad en el flujo turbulento es más plano en la parte central de la tubería que en el flujo laminar. La velocidad del flujo cae rápidamente extremadamente cerca de las paredes. Esto se debe a la difusividad del flujo turbulento. Las partículas se mueven siguiendo trayectorias erráticas, desordenadas, con formación de torbellinos. Cuando aumenta la velocidad del flujo, y por tanto el número de Reynolds, la tendencia al desorden crece.

3

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Figura 2. Perfil de velocidad del flujo turbulento.

PROCEDIMIENTO ANÁLISIS DE DATOS 1. Para las mediciones realizadas con cada caudal propuesto, obtener el número de Reynolds del flujo. Identificar según el número de Reynolds el régimen al cual pertenece el flujo. Corroborar si el resultado de este análisis concuerda con lo observado en la práctica. Medición

Volumen

[ l]

[s ]

t1

Volumen

[ l]

[s]

t2

Volumen

[l ]

[s]

t3

Temperatura

1 2 3 4

0.15 0.15 0.15 0.15

17.38 10.95 3.27 1.85

0.15 0.15 0.15 0.15

18.73 10.33 3.55 2

0.15 0.15 0.15 0.15

17.20 10.48 3.44 2.05

29° 29° 29° 29°

[C ° ]

Régimen observado Laminar Laminar Transición Turbulento

Tabla 1. Datos experimentales.

gr cm3



Densidad del agua de:



Diámetro de sección de prueba: 0.010 m

1

Cálculo el caudal:

Q=

V t

V=volumen t=Tiempo Ejemplo:

Q=

L 0.15 =0.00863061 s 17.38

Medición

1 2 3 4

Caudal 1 0.008630 0.013698 0.045871 0.081081

Tabla 2. Caudales calculados.

4

[] [] L s

Caudal 2

Caudal 3

Caudal Promedio

L s

[] L s

[]

0.008009 0.014521 0.042254 0.075

0.008721 0.014313 0.043605 0.073171

0.008453 0.014177 0.043909 0.076417

L s

Escuela de Ingeniería Civil Universidad Industrial de Santander Construimos Futuro Viscosidad cinemática:

μ ρ μ =viscosidad absoluta ρ =Densidad del fluido (Agua) v=



Temperatura: 29°C



Viscosidad dinámica del agua: 0,000815



Densidad del agua: 996,02

v=

kg (m· s)

kg m3

2 0.000815 kg /(m·s ) −7 m =8.18257 x 10 kg s 996.02 3 m

Velocidad promedio:

Vpro=

Q A

Q=Caudal A=Área 2

π (0.010) −5 2 =7,854 x 10 m 4 3 −6 m 8,453 x 10 [ ] s m V= =0.107636 −5 2 s 7,854 x 10 [ m ] A=

Número de Reynolds

Re =

V prom∗D v

Re = Numero de Reynolds v =Viscosidad cinemática V prom = Velocidad promedio D = Longitud característica de geometría de conducto

Re = Medició n

0.107636∗0,01 =1315.4 Flujo Laminar −7 8.18257 x 10 Caudal Promedio

[ ] m3 s

1 2 3 4

8.45336E-06 1.41775E-05 4.39099E-05 7.64173E-05

5

Velocidad

[] m s

0.107631533 0.180513199 0.559078347 0.972974914

Temperatura [°C]

Viscosidad Cinemática

[ ] m2 s

29° 29° 29° 29°

8.18257E-07 8.18257E-07 8.18257E-07 8.18257E-07

Numero de Reynolds 1315.4 2206.1 6832.6 11890.8

Régimen de flujo

Laminar Laminar Turbulento Turbulento

Escuela de Ingeniería Civil Universidad Industrial de Santander Construimos Futuro Tabla 3. Número de Reynolds para cada caudal promedio calculado.

Preguntas:  De acuerdo al registro fotográfico y correspondientes números de Reynolds calculados, ¿son consistentes los resultados con la clasificación de flujo mostrada en el marco teórico?, de no ser consistentes, ¿a qué cree que se deba este hecho? Los resultados con la clasificación del flujo no son totalmente consistentes, ya que la primera, segunda y cuarta medición coincidieron con el régimen de flujo observado, sin embargo, la medición número tres, la habíamos catalogada como flujo de transición y el número de Reynolds calculado reveló un flujo turbulento. No obstante, esta inconsistencia fue resultado de error visual y exigua precisión al introducir la tinta.  ¿Cómo varía el número de Reynolds con el aumento del caudal? Es directamente proporcional, ya que, al aumentar el caudal, el número de Reynolds también aumentaba, desde el un flujo Laminar hasta uno turbulento. ¿Qué formas tienen los perfiles de velocidad observados en el tubo de visualización?, ¿A qué se debe esta forma en el perfil de velocidad? Los perfiles de velocidad se dividen en tres: laminar, cuya forma es una línea recta que sigue la trayectoria del fluido; de transición, es aquella cuya forma es parecida a un espiral, esto se debe a que la tinta se mezcla levemente con el agua; y por último, turbulento, en este, la tinta que mezcla con el agua evitando que se diferencien. Estas formas se deben al movimiento y la trayectoria de las partículas, en el primero, siguen una secuencia lineal, en la segunda, se encuentran formando pequeños remolinos con una secuencia, y en la última, las partículas se mueven desordenadamente y haciendo pequeños remolinos que no se encuentran coordinados entre sí.



 ¿Qué aplicación en la ingeniería civil tiene el fenómeno estudiado? Este análisis es necesario en los casos de transporte de fluidos, por esto, es muy utilizado en redes de acueductos o alcantarillados, determinando las caídas de presión producidas por el rozamiento en tuberías.

CONCLUSIÓN

6



En la práctica se determinó visualmente los perfiles de velocidad del fluido dependiendo del caudal y se corroboró en el análisis de datos si estos correspondían a los que se habían asignado previamente en el laboratorio.



El tipo de flujo depende del número de Reynolds, el cual, a su vez, depende del caudal que tenga el fluido en ese momento, gracias a esto, se puede evidenciar que,

Escuela de Ingeniería Civil Universidad Industrial de Santander Construimos Futuro al tener un caudal mayor, el número de Reynolds será mayor, por esto, el flujo de clasificará en Turbulento o de transición, por el contrario, si el caudal es muy pequeño, el número de Reynolds será muy pequeño, y eso indicará que el flujo es laminar.

ANEXOS

Muestra 1. Flujo laminar

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Muestra 2. Flujo laminar

Escuela de Ingeniería Civil Universidad Industrial de Santander Construimos Futuro

Muestra 3. Flujo turbulento

Muestra 4. Flujo turbulento

Matriz de Participación Nombre

%Participación

Angie Alejandra Arévalo Mendoza

33,3%

Sarah Nicolle Cuadros Carrillo

33,3%

Dayana Carolina Marín González

33,3%

Bibliografía ● [1] "Aula Virtual de Aprendizaje", Tic.uis.edu.co, 2019. [Online]. Available: https://tic.uis.edu.co/ava/pluginfile.php/179232/mod_resource/content/1/N%C2%B0 8%20-%20Demostraci%C3%B3n%20Osborne-Reynolds.pdf. [Accessed: 03Mar2019]. ● [3] Y.A Cengel y J. M. Cimbala, Mecánica de fluidos: fundamentos y aplicaciones, 5° ed., Nueva York: McGraw-Hill, 2006. 

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[2]Viscosidad dinámica del agua líquida a varias temperaturas, http://www.vaxasoftware.com/doc_edu/qui/viscoh2o.pdf...