Reporte de Practica #2: Experimento de Reynolds PDF

Preview

Summary

Reporte de Practica #2: Experimento de Reynolds Agustín Bautista Sara Página 1 Reporte de Practica #2: Experimento de Reynolds Asignatura: Laboratorio Integral Clave: IQN-1010 Docente: MIA: Juan Manuel Hernández Espíndola REPORTE DE PRÁCTICA #2: Experimento de Reynolds Alumna: Agustín Bautista Sara ...

Description

Reporte de Practica #2: Experimento de Reynolds

Agustín Bautista Sara

Página 1

Reporte de Practica #2: Experimento de Reynolds

Asignatura: Laboratorio Integral Clave: IQN-1010 Docente: MIA: Juan Manuel Hernández Espíndola REPORTE DE PRÁCTICA #2: Experimento de Reynolds Alumna: Agustín Bautista Sara Carrera: Ingeniería Química Grupo: 609-A Lugar y Fecha: Acayucan, Veracruz a 14 de febrero de 2018

Agustín Bautista Sara

Página 2

Reporte de Practica #2: Experimento de Reynolds Contenido Objetivo .............................................................................................................................................. 4 Introducción ....................................................................................................................................... 4 Desarrollo experimental................................................................................................................... 9 Resultados ....................................................................................................................................... 11 Conclusión ....................................................................................................................................... 11 Referencias ..................................................................................................................................... 12 Apéndice .......................................................................................................................................... 12

Agustín Bautista Sara

Página 3

Reporte de Practica #2: Experimento de Reynolds Objetivo

Identificar los distintos tipos de flujo en tuberías, reproducir el experimento de Reynolds y clasificar el flujo según el número de Reynolds.

Introducción

Reynolds en 1883 presentaba el siguiente dilema, en sus extensos trabajos: "Aunque las ecuaciones de la hidrodinámica sean aplicables al movimiento laminar, o sea sin remolinos, mostrando que entonces la resistencia es proporcional a la velocidad, no habían arrojado hasta ese entonces ninguna luz sobre las circunstancias de las cuales dicho movimiento depende. Y, con todo y que en años recientes estas ecuaciones se habían aplicado a la teoría del torbellino, no se habían aplicado en lo absoluto al movimiento del agua que es una masa de remolinos, movimiento turbulento, ni habían ofrecido una pista para descubrir la causa de que la resistencia a tal movimiento varíe como el cuadrado de la velocidad" y agregaba: "Mientras que, cuando se aplican a olas y al movimiento del agua en tubos capilares, los resultados teóricos concuerdan con los experimentales, la teoría de la hidrodinámica había fracasado hasta la fecha en proporcionar la más leve sugerencia acerca del porqué no logra explicar las leyes de la resistencia encontrada por grandes cuerpos que se mueven a través del agua con velocidades sensiblemente grandes, o por el agua en tuberías bastante anchas" Reynolds buscaba determinar si el movimiento del agua era laminar o turbulento, existen varias influencias para el orden, como su viscosidad o aglutinamiento, cuando más glutinoso sea el fluido, menos probable es que el movimiento regular se altere en alguna ocasión. Por otro lado tanto la velocidad y el tamaño son favorables a la inestabilidad, cuanto más ancho sea el canal y más rápida la velocidad mayor es la probabilidad de remolinos. La condición natural del flujo era, para Reynolds, no el orden sino el desorden; y la viscosidad es el agente que se Agustín Bautista Sara

Página 4

Reporte de Practica #2: Experimento de Reynolds encarga de destruir continuamente las perturbaciones. Una fuerte viscosidad puede contrarrestarse con una gran velocidad. Reynolds bajo el punto de vista dimensional y con las ecuaciones fundamentales del movimiento comenzó a resolver dichas dudas. A presión constante, pensó, las ecuaciones del movimiento de un fluido equilibran el efecto de inercia, representado por la energía cinética contenida en la unidad de volumen, rU2, con el efecto viscoso, representado por el esfuerzo de Newton, mU/c, donde U es la velocidad media y c una longitud característica de la corriente en estudio (el diámetro del tubo por ejemplo). Dio origen al siguiente parámetro llamado "Número de Reynolds": Efecto de inercia/Efecto viscoso = rU2/ (mU/c) = rUc/m Resulta ser un parámetro sin dimensiones, capaz de cuantificar la importancia relativa de las acciones mencionadas: un valor pequeño indica que los efectos viscosos prevalecen, con lo que el escurrimiento será probablemente laminar, un valor grande, es seña de que predomina la inercia, sugiere un comportamiento turbulento. Debe pues existir un valor intermedio –concluía Reynolds- que separe los dos regímenes; y este identificará no solo la velocidad crítica, conociéndose la viscosidad y la longitud característica, sino también la viscosidad y la velocidad críticas, dados los valores de los otros dos parámetros. Había ahora que acudir al experimento para confirmar esta previsión. Entonces se propuso determinar bajo qué condiciones se produce el escurrimiento laminar y el turbulento, siendo que este último se caracteriza por la presencia de remolinos y el otro no, la primera idea que se le ocurrió fue visualizar con colorante. Construyo, con un tubo de vidrio de 6 mm de diámetro, un sifón ABC con una entrada abocinada en A y válvula de control en C, que llenó de agua; e introdujo su brazo corto AB en el agua de un vaso V. Por otro lado, instalo un depósito de líquido coloreado D, provisto de un tubo EF, también de 6mm, terminado en una angosta boquilla cónica que penetraba en el centro de la boca A. El suministro de este líquido se controlaba por medio de la pinza P. Agustín Bautista Sara

Página 5

Reporte de Practica #2: Experimento de Reynolds

Luego de dejar todo el sistema lleno de agua durante varias horas, para asegurarse que todo movimiento interno cesara, se abría poco a poco la pinza. El líquido colorado salía de la boquilla F, primero adquiriendo la forma de la llama de una vela, luego alargándose, hasta volverse un filamento muy delgado que al permitirse el desagüe por C se extendía por todo el sifón. A la válvula C se le daban aperturas siempre mayores, para que aumentara la velocidad del agua en el sifón; y al mismo tiempo se incrementaba el suministro de colorante, a fin de que el filete se mantuviera visible. Contrariamente a lo previsto, con la máxima abertura de la válvula, este último se mantenía todavía perfectamente claro y estable a lo largo de todo el tubo, sin el menor asomo de perturbaciones en la corriente. Se prolongó el brazo BC hasta casi tocar el piso para aumentar aún más la velocidad; pero nada, el filete no se alteraba en lo más mínimo. Evidentemente el diámetro, de un cuarto de pulgada, escogido para el sifón era demasiado reducido, el flujo no pasaba de laminar. Entonces Reynolds decidió usar un tubo de una pulgada. Pero hacer un sifón de vidrio de este diámetro no era fácil; y se le ocurrió una solución mucho más simple:

Agustín Bautista Sara

Página 6

Reporte de Practica #2: Experimento de Reynolds El dibujo que Reynolds presento es el siguiente:

El tanque V, de seis pies de largo, uno y medio de ancho y otro tanto de profundidad, se ve levantado siete pies por encima del piso, con el fin de alargar considerablemente el brazo vertical de la tubería de fierro que prolongaba, al otro lado de la pared del tanque, el tubo de vidrio AB donde el experimento se realizaba. También utilizo un flotador, que permite controlar al centésimo de pulgada la bajada de nivel del agua en el tanque, y de pie sobre la plataforma el buen Mr. Foster, el ayudante, listo para regular, con una palanca gigantesca, el escurrimiento. El primer ensayo se pudo realizar el 22 de Febrero de 1880. Reynolds y Foster llegaron temprano, llenaron el tanque con una manguera y, de las 10 de la mañana a las dos de la tarde, lo dejaron descansar para que el agua se tranquilizara. Luego se empezó el experimento de la misma forma que las primeras tentativas. Se permitió al tinte fluir muy despacio, y se abrió un poco la válvula. El filamento coloreado se estableció como antes (Fig. a) y permaneció Agustín Bautista Sara

Página 7

Reporte de Practica #2: Experimento de Reynolds muy estable al crecer la velocidad; hasta que de repente con una leve apertura de la válvula, en un punto situado más o menos dos pies antes del tubo de hierro, el filamento se expandió y se mezcló con el agua, hasta llenar el resto del conducto con una nube coloreada, que a primera vista parecía como un tinte uniforme (Fig. b). Sin embargo, un examen más cuidadoso revelo la naturaleza de esa nube: moviendo el ojo a modo de seguir el avance de la corriente, la expansión del filete coloreado se deshizo en movimiento ondulatorio del filamento bien definido, primero sin mayores disturbios; luego; después de dos o tres ondas apareció una secuencia de remolinos aislados y perfectamente claros (Fig. c). Se les podía reconocer bastante bien al seguirlos con los ojos; pero se distinguían mejor con el destello de un chispazo, cerrando un poquito la válvula, los remolinos desaparecieron, y el filete coloreado se reconstituyó.

El número de Reynolds permite caracterizar la naturaleza del flujo, es decir si se trata de un flujo laminar o de un turbulento, además, indica la importancia relativa de la tendencia del flujo hacia un régimen turbulento respecto de uno laminar y la posición relativa de este estado dentro de una longitud determinada. Reynolds encontró que el flujo turbulento siempre pasaba a ser laminar, cuando al disminuir Agustín Bautista Sara

Página 8

Reporte de Practica #2: Experimento de Reynolds la velocidad se hacía que R valiera menos de 2000. Este índice es el numero critico inferior de Reynolds para el flujo de tubos y si tiene importancia práctica. Para tuberías convencionales, el flujo cambiara de laminar a turbulento cuando el número de Reynolds se encuentre en el rango de 2000 a 4000

Desarrollo experimental

Los materiales utilizados se mencionan a continuación:

 

1m de manguera de tubería transparente de ½ in.



1 jeringa de 5 ml.



3 m de manguera



Recipiente transparente de 5 L.



Válvula Reguladora

Uniones de tubería

Procedimiento: 1. Con la válvula cerrada, se deja que el balde se llene completamente hasta alcanzar un volumen de 4 L, el líquido excedente se eliminara por el rebosadero, de esta manera se asegura un volumen constante.

Agustín Bautista Sara

Página 9

Reporte de Practica #2: Experimento de Reynolds

2. Una vez llenado el tanque, se procede a insertar la jeringa llena de tinta en el orificio acondicionado para este fin.

3. Se empieza a girar la válvula para regular el canal de agua y se inyecta tinta para poder observar el comportamiento del flujo.

4. Después de que se ha establecido un régimen hidráulico, iniciamos el conteo en un cronometro, después tomamos medida del volumen que salió por la válvula durante ese tiempo determinado.

Agustín Bautista Sara

Página 10

Reporte de Practica #2: Experimento de Reynolds

5. Luego de haber tomado los datos, se procede a realizar los cálculos para clasificar el fluido según el régimen hidráulico.

Resultados

Se presentan los datos y los resultados obtenidos en esta practica.

Tipo Tiempo

1 2 3 4

Volumen Volumen

flujo o de

Velocidad

(min)

Tiempo(s) (L)

(m3)

Caudal (Q)

(m/s)

3

180

20

0.02

0.000111111

0.881834215

3

180

5

0.005

2.77778E-05

0.220458554

15

900

20

0.02

2.22222E-05

0.176366843

30

1800

15

0.015

8.33333E-06

0.066137566

Reynolds

. . .

.

flujo Turbulento Turbulento Transición Laminar

Conclusión Al analizar los resultados se Como era de esperarse, al aumentar la velocidad de flujo se pasa de un régimen laminar a uno turbulento, y como consecuencia aumenta el número de Reynolds, El número de Reynolds es quizá el numero adimensional más utilizado en cálculos de ingeniería y su comprensión adecuada resulta fundamental.

Agustín Bautista Sara

de

Página 11

Reporte de Practica #2: Experimento de Reynolds Referencias

http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/conceptosbasicosmfluidos/elexperim entodereynolds/elexperimentodereynolds.html http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/conceptosbasicosmfluidos/reynolds/n umero.html https://es.scribd.com/document/136696838/Experimentos-de-Reynolds-docx http://fjartnmusic.com/Personal/6o_Semestre_files/Re.pdf

Apéndice

En esta sección se muestra los cálculos efectuados en esta práctica: Caudal =

=

∆� ∆��

� � ∗� � [

3

[ ]

]

Por lo tanto para poder calcular la velocidad se despeja de la ecuación de Q

�

� � =

∆� ∆��

∗� �

Para determinar el número de Reynolds y conocer la naturaleza del fluido se utiliza la siguiente ecuación.

Agustín Bautista Sara

Página 12

Reporte de Practica #2: Experimento de Reynolds �

Tiempo

1 2 3 4

=

��� ��

∗� � � �

� � �� �

Volumen Volumen

Tipo

flujo o de

Velocidad

(min)

Tiempo(s) (L)

(m3)

Caudal (Q)

3

180

20

0.02

0.000111111 0.881834215

3

180

5

0.005

2.77778E-05 0.220458554

15

900

20

0.02

2.22222E-05 0.176366843

30

1800

15

0.015

8.33333E-06 0.066137566

(m/s)

Reynolds

.

.

flujo Turbulento Turbulento

.

Transición

.

Laminar

Para el primer caso:

=

� =

��� ��

∆� ∆��

� � =

∗� � � �

[

�

=

[ ] .

.

]

� � = � � �

.

=

[

]

[

.

[

= .

[ ]

]

]

[ ] = . [ ] .

∗ .

�

−

=

.

Como 21003000 entonces se trata de un flujo turbulento.

Agustín Bautista Sara

de

Página 13

Reporte de Practica #2: Experimento de Reynolds

Para el caso 2: =

∆� ∆��

�

=

��� ��

� � =

∗� � � �

[

�

[ ]

=

y

∆� ∆��

[

turbulento.

.

.

=

[

. .

]

�

[

−

[ ]

]

] [ ] = . [ ] ∗ .

.

.

= .

[

−

�

� � = � � �

.

Como 2100<

]

�

=

−

.

>3000 entonces se trata de un flujo

Caso 3: =

�

=

��� ��

� � =

∗� � � �

Agustín Bautista Sara

�

=

[ ] .

]

.

=

.

]

−

�

.

� � = � � �

[

.

= .

�

−

[

[ ]

]

[

] [ ] = . [ ] ∗ .

�

−

=

. Página 14

Reporte de Practica #2: Experimento de Reynolds Como 2100...