Core Loading with Metals

Esta guía de laboratorio es realizada para que el estudiante cuente con una base teórica, además de una orientación para determinar los regímenes de flujo.

 GUÍA DE LABORATORIO PARA EL ESTUDIANTE

Esta guía para el estudiante es realizada con el fin de complementar la experiencia al realizar la práctica de la determinación del número de Reynolds.

 Objetivo de la practica

 Identificar los regímenes de flujo (laminar, transicional y turbulento), según las observaciones.

 Calcular las mediciones del número de Reynolds para las diferentes condiciones de velocidad

 Marco Teórico

 Numero de Reynolds

El número de Reynolds, es una relación adimensional entre las fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas. La importancia de este número, es que por medio de este se definen tres tipos de flujo: laminar, transicional y turbulento. Esto es de mucha utilidad ya que, dependiendo del tipo de flujo, existen diferentes modelos físicos que describen su movimiento.

Reynolds estudio las características de un flujo, mediante la inyección de un trazador (tinta) en el líquido que estaría fluyendo dentro de una tubería. El comprobó que, a bajas velocidades dentro de la tubería, el trazador se comportaría de manera lineal y en dirección axial.

Sin embargo, al momento de aumentar las velocidades del fluido, observo que el trazador inyectado se empezaba a dispersar, lo que indicaba que las líneas del flujo se desorganizaban. Por lo tanto, al flujo que corría a bajas velocidades de manera lineal le llamo flujo laminar, y el tipo de flujo que se obtenía a mayores velocidades, el cual era desorganizado en sus líneas de flujo le denomino flujo turbulento.

El flujo laminar se encuentra condicionado por algunas características, las cuales dependen de las propiedades del líquido y las dimensiones del flujo, a medida que se presenta un aumento del flujo, de manera similar pasa con las fuerzas de momento o inercia, las cuales son contrarrestadas por la

fuerza de fricción o viscosas. En el momento en que se logra un equilibrio entre estas fuerzas se dice que este genera un cambio en las características del flujo.

Con base en ensayos experimentales realizados por Osborne Reynolds, han llegado a la conclusión que las fuerzas de momento se encuentran en función de la densidad, diámetro de la tubería y la velocidad.

El número de Reynolds, está definido como:

O equivalente a

Donde

: Densidad del fluido

: Velocidad característica del fluido

: Diámetro de la tubería a través de la cual circula el fluido o longitud característica del sistema

: Viscosidad dinámica del fluido

: Viscosidad cinemática del fluido (m²/s)

Re ≤ 2000 Flujo Laminar

2000 < Re ≤ 4000 Flujo turbulento Re > 4000 Flujo turbulento

 Flujo Laminar: Es uno de los dos tipos principales de flujo en fluido, se denomina flujo laminar o corriente laminar, al tipo de movimiento de un fluido cuando éste es perfectamente ordenado, estratificado y suave, de manera que el fluido se mueve en láminas paralelas sin entremezclarse si la corriente tiene lugar entre dos planos paralelos, o en capas cilíndricas coaxiales.

Foto: flujo laminar (Avellaneda, 2016)

 Flujo Turbulento: en mecánica de fluidos, se llama flujo turbulento o corriente turbulenta al movimiento de un fluido que se da en forma caótica, donde las partículas se mueven desordenadamente y las trayectorias de estas se encuentran formando pequeños remolinos aperiódicos, como por ejemplo el agua en un canal de gran pendiente. Debido a esto, la trayectoria de una partícula se puede predecir hasta una cierta escala, a partir de la cual la trayectoria de la misma es impredecible, más precisamente caótica.

 Régimen De Transición: Para valores de 2000 < Re < 4000 la línea del colorante pierde estabilidad formando pequeñas ondulaciones variables en el tiempo, manteniéndose sin embargo delgada. Este régimen se denomina de transición.

Foto: flujo de transición (Avellaneda, 2016)

 Metodología

 Equipo necesario para realizar la practica

 Cronometro

 Tinta para observar el tipo de flujo

 Calibrador o pie de rey, para medir el diámetro interno del tubo

 El equipo esquematizado a continuación:

Modelo del montaje experimental de Reynolds (Avellaneda, 2016).

 Procedimiento

1) Determinar el diámetro interno de la tubería transparente.

2) Medir la temperatura del agua y hacer control permanente a las variaciones de esta.

3) Encender la bomba centrifuga para que el sistema de circulación de agua inicie su funcionamiento

4) Verificar que la tubería de acrílico plexiglás se encuentre totalmente llena y sin burbujas.

5) Abrir suavemente las válvulas de control con el fin de que el caudal incremente

6) Encender a 3 rpm la bomba peristáltica y graduar la cantidad de tinta inyectada por medio de las válvulas de control del sistema de tinta.

7) Una vez determinado el régimen buscado por medio de la observación en la tubería de acrílico, realizar un registro de aforos de caudal.

 Memoria de cálculos

O equivalente a

Donde

: Densidad del fluido

: Velocidad característica del fluido

: Diámetro de la tubería a través de la cual circula el fluido o longitud característica del sistema

: Viscosidad dinámica del fluido

: Viscosidad cinemática del fluido (m²/s)

Re ≤ 2000 Flujo Laminar

2000 < Re ≤ 4000 Flujo turbulento Re > 4000 Flujo turbulento

 Tablas de registro de datos.

Diámetro (m) Gasto (m³/s) Velocidad (m/s) Temperatura ºC Viscosidad Cinemática (m²/s) Numero de

Reynolds Tipo de Flujo

1 2 3 4 5 Diámetro (m) Gasto (m³/s) Velocidad (m/s) Temperatura ºC Viscosidad Cinemática (m²/s) Numero de

Reynolds Tipo de Flujo

1 2 3 4 5

Diámetro (m) Gasto (m³/s) Velocidad (m/s) Temperatura ºC Viscosidad Cinemática (m²/s) Numero de

Reynolds Tipo de Flujo

1 2 3 4 5

 Graficar caudal vs número de Reynolds

 Graficar velocidad vs número de Reynolds

 Graficar diámetro vs Numero de Reynolds

6 CONCLUSIONES

 Basado en los experimentos realizados por Osborne Reynolds en 1883 se determinó que el diseño del montaje debería basarse en dos elementos: primero garantizar una circulación constante y cíclica del fluido y segundo permitir el uso de distintos valores en las variables que influyen en el comportamiento flujo, con el fin no solo de identificar, además diferenciar los cambios que se producen entre unos valores y otros.

 Teniendo en cuenta que el diámetro del canal y la velocidad del fluido son dos de las variables que condicionan el flujo se estableció usar tres canales o tuberías de diferentes diámetros para así permitir la identificación y diferenciación de los regímenes de flujo entre los distintos valores; se hizo lo propio para posibilitar la variación de la velocidad y se decidió incorporar válvulas en la salida tanto del fluido base (agua) como en el trazador (tinta) y de esta manera graduar y controlar el caudal o gasto de los fluidos.

 Basados en los diferentes ensayos realizados en el montaje experimental, se pudo establecer qué la velocidad del fluido debe ser inversamente proporcional al diámetro del canal para lograr cada uno de los regímenes de flujo; con base en esto se concluyó que:

Las velocidades óptimas para lograr un flujo laminar en los diferentes diámetros fueron: para los diámetros 42.00 mm, 24.00 mm y 15.00mm son respectivamente 0.0358 m/s, 0.0627 m/s y 0.1 m/s; para flujo transicional: para los diámetros 42.00 mm, 24.00 mm y 15.00mm son respectivamente 0.0716 m/s, 0.125 m/s y 0.201 m/s; y para flujo turbulento: para diámetros 42.00 mm, 24.00 mm y 15.00mm son 0.119 m/s, 0.209 m/s y 0.334 m/s respectivamente.

 Con la elaboración de esta herramienta (montaje experimental físico Reynolds, guía de manejo y guía de laboratorio), los estudiantes de la Universidad Católica de Colombia tendrán la posibilidad de complementar y comprobar sus bases teóricas acerca del comportamiento de los fluidos, en una práctica que les permitirá visualizar fácilmente la conducta de los regímenes de flujo laminar, transicional y turbulento.

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