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• Maria Jose Carrasco Ortega

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UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica SANTIAGO

TITULO DE LA EXPERIENCIA ___________

VISUALIZACION_DE_FLUJOS ________________________________________

EXPERIENCIA N° _____1____Grupo N°___6____Fecha de la Exp_____05/04/2017____ Fecha de Entrega 12/04/2017______

NOMBRE ASIGNATURA________MECANICA_DE_FLUIDOS_________CODIGO___17193-0-B-2_______ CARRERA____INGENIERIA CIVIL EN MINAS________________ Modalidad ( Diurna o Vespertina)_ DIURNA_________ NOMBRE DEL ALUMNO

CARRASCO Apellido Paterno

ORTEGA Apellido Materno

MARIA JOSÉ Nombre

________________________ Firma del alumno Fecha de Recepción

Nota de Interrogación ________________

Nombre del Profesor ____IVAN GALLARDO____

Nota de Participación ________________ Nota de Informe ____________________ _________________________________ Nota Final __________________ ______ ________________

Firma del Profesor

SE RECOMIENDA AL ESTUDIANTE MEJORAR EN SU INFORME LA MATERIA MARCADA CON UNA X ________ Presentación ________ Características Técnicas ________ Descripción del Método seguido OBSERVACIONES

________ Cálculos, resultados, gráficos ________ Discusión, conclusiones _______ Apéndice

Visualización de flujos

1.- Índice 2.- Resumen del contenido del informe

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3.- Objetivos de la Experiencia

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4.- Marco teórico

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5.- Características Técnicas de los equipos e Instrumentos empleados

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6.- Descripción del Método seguido

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7.- Presentación de los Resultados

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8.- Discusión de los Resultados

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9.- Apéndice

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 

Desarrollo de Cálculos Bibliografía

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Visualización de flujos

2.- Resumen del Contenido del Informe En este informe se llevara a cabo un análisis de las observaciones y evaluaciones realizadas a un tipo de fluido en laboratorio, por medio visualización se determina si este es laminar turbulento o de transición, variando el caudal mediante una válvula, se registra lo que sucede, y se calcula número de Reynolds. El fluido a utilizar en este caso es inyección de permanganato de potasio en el flujo de agua en una tubería de vidrio. Se detallan los objetivos de este informe, todo lo q se necesita para la realización de este experimento, luego se muestran los resultados más relevantes obtenidos los cuales son los siguientes: Medición 1 2 3 4 5 6 7 8

Velocidad del Flujo [ Número de Reynolds Tipo de fluido m ¿ s 0,0217 564,125 Laminar 0,0350 909,878 Laminar 0,0582 1512,998 Laminar 0,1030 2677,643 Transición 0,1198 3114,385 Transición 0,1624 4221,837 Turbulento 0,0820 2131,716 Transición 0,0364 946,274 Laminar Tabla nº1: resumen de resultados globales obtenidos

Para finalizar se analiza y se concluye que según lo medido y calculado ocurre que a mayor velocidad mayor número de Reynolds es decir más turbulento es el flujo o menos laminar, por lo que existe una relación directa entre estas dos variables Re= K * v (k=cte., y v= velocidad la cual es el único parámetro que varía dentro de las mismas condiciones) y se agrega el apéndice correspondiente

3.- Objetivos de la Experiencia 3.1 Objetivos generales 

Observar y evaluar el tipo de flujo, de acuerdo a si es laminar, transición ó turbulento.

3.2 Objetivos específicos     

Familiarizarse con el equipo a utilizar Identificar el tipo de flujo observado Realizar mediciones necesarias para el cálculo posterior del número de Reynolds Calcular el número de Reynolds para los distintos flujos medidos Obtener conclusiones de lo realizado

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Visualización de flujos

4.- MARCO TEORICO Reynolds un ingeniero matemático irlandés descubrió que el tipo de flujo adquirido por un líquido que fluye dentro de una tubería depende de la velocidad del líquido, el diámetro de la tubería y de algunas propiedades físicas del fluido. Así, el número de Reynolds es un número adimensional que relaciona las propiedades físicas del fluido, su velocidad y la geometría del ducto por el que fluye y está dado por: ρvD ℜ= μ Donde: Re = Numero de Reynolds D = Diámetro del ducto [m] m v = Velocidad del líquido [ ] s kg ρ = Densidad del líquido [ 3 ] . m µ = Viscosidad del líquido [ pa . s ] . Generalmente cuando el número de Reynolds se encuentra por debajo de 2000 se sabe que el flujo es laminar, el intervalo entre 2000 y 4000 se considera como flujo de transición y para valores mayores de 4000 se considera como flujo turbulento. Sí; Re < 2000 → El flujo de denomina laminar Sí; 2000 < Re < 4000 → El flujo de denomina transición Sí; Re > 4000 → El flujo de denomina turbulento

Flujo laminar: las partículas del líquido se mueven siempre a lo largo de trayectorias uniformes, en capas o láminas, con el mismo sentido, dirección y magnitud. En tuberías de sección circular, si hacemos un corte transversal, las capas de igual velocidad se disponen de forma concéntrica, con v > 0 junto a las paredes de la tubería y velocidad máxima en el centro. Corresponde el régimen laminar a bajos valores del número de Reynolds y suele darse a pequeñas velocidades, en tubos con pequeño diámetro y con fluidos muy viscosos (aceites). En estas condiciones, las fuerzas viscosas predominan sobre las de inercia.

Imagen nº 1:Flujo laminar

Imagen nº2: Frente del flujo laminar 3

Visualización de flujos

Régimen 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. Ninguna capa de fluido avanza más rápido que las demás, y sólo existe un fuerte gradiente de velocidad en las proximidades de las paredes de la tubería, ya que las partículas en contacto con la pared han de tener forzosamente velocidad nula.

Imagen nº 3: Flujo turbulento

Imagen nº 4: Frente del flujo turbulento

5.- Características Técnicas de los Equipos e Instrumentos Empleados a) Cronometro: Instrumento utilizado para medir el tiempo de llenado de la probeta con el líquido que sale del aparato de Reynolds.

Imagen nº5: cronometro b) Termómetro Digital: Se utiliza para medir la temperatura del agua a la que se encuentra el fluido.

Imagen nº 6: termómetro 4

Visualización de flujos c) Probeta Graduada: se utiliza para medir el volumen de fluido que sale desde la manguera de desagüe.

Imagen nº 7: probeta con fluido

d) Equipo de Reynolds: aparato diseñado para reconstruir lo observado por Reynolds. El fluido ingresa por la válvula de alimentación hacia el estanque el cual almacena el agua a una carga constante de agua. Posee un sistema de inyección de permanganato de potasio desde un matraz Erlenmeyer el cual ingresa a un tubo de vidrio transparente con agua de 30mm de diámetro donde se puede ver el tipo de fluido que se genera dependiendo de la velocidad que presente este, para luego salir por la manguera de desagüe donde también existe una válvula de salida la cual regula la salida del fluido. Parte inicial del aparato de Reynolds aquí se encuentra el permanganato de potasio

Imagen nº 8: parte del aparato de Reynolds Parte final del aparato de Reynolds donde se desecha el agua

Imagen nº9: parte del aparto de Reynolds

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Visualización de flujos

Parte del medio del aparato de Reynolds es por donde visualizamos el fluido en donde nos es posible identificar el tipo de fluido

Imagen nº 10: parte del aparto de Reynolds

6.- Descripción del Método Seguido Al comenzar el laboratorio el profesor nos indica el equipo a utilizar, este consistía en un aparato similar al que utilizo Reynolds y que simulaba las mismas condiciones. Se describió cada parte de este aparato, su funcionamiento, el recorrido que hacia el fluido desde el matraz hasta llegar al desagüe, como aumentar y disminuir la velocidad del caudal y que debíamos observar en este experimento. Luego procedimos a realizar la observación donde el profesor inyectaba permanganato de potasio y seguíamos su trayecto hasta el tubo de vidrio donde identificamos si este es laminar, turbulento o de transición, inmediatamente se llena una probeta con el fluido que va saliendo de la manguera y se toma el tiempo, se realiza este proceso 8 veces y se anota en la pizarra lo medido y observado. Se comenzó aumentando la velocidad del flujo y en la medición 7 comenzó a disminuir. Para finalizar se toma la temperatura del agua en el estanque con el termómetro digital para luego obtener la viscosidad absoluta y cinemática mediante tablas, necesarios para el cálculo del número de Reynolds.

7.- Presentación de Resultados Datos observados en cada medición realizada, con tiempo, volumen y tipo de fluido Medición 1 2 3 4 5 6 7 8

Tiempo [s] Volumen [m³] Tipo de fluido 47,448 7,28 x 10-4 Laminar -3 52,042 1,29 x 10 Laminar 38,858 1,6 x 10-3 Laminar -3 18,402 1,341 x 10 Transición -3 18,644 1,58 x 10 Transición 13,891 1,595 x 10-3 Turbulento 24,647 1,430 x 10-3 Turbulento 46,633 1,2 x 10-3 Laminar Tabla nº1: datos obtenidos en el laboratorio por el aparto de Reynolds 6

Visualización de flujos

Datos entregados necesarios para el cálculo del número de Reynolds Diámetro de la tubería Densidad del agua

0,03 [m]

[ ]

kg 3 m Área tubería 7,069 x 10-4 [m2] Temperatura del agua 14,6 [ºC] Tabla nº2: medidas fijas en el experimento, sin variación

1000

Datos de viscosidad encontrados en una tabla a partir de la temperatura Kg ¿ m∗s m² Viscosidad cinemática (v) ¿ 1,155 x 10 -6 [ s Tabla nº 3: viscosidades del agua a una temperatura de 14,6ºC Viscosidad absoluta (μ)

Datos calculados a partir del volumen y experimento

Medición 1 2 3 4 5 6 7 8

1,154 x 10-3 [

m³ ¿ Caudal [ s 1,534 x 10−5 2,479 x 10−5 4,117 x 10−5 7,287 x 10−5 8,475 x 10−5 1,1482 x 10−4 5,801 x 10−5 2,573 x 10−5

el tiempo en cada medición del

Tabla nº4: caudal registrado en cada medición Datos calculados a partir del caudal y el área: Medición 1 2 3 4 5 6 7 8

Velocidad del m ¿ Flujo [ s 0,0217 0,0350 0,0582 0,1030 0,1198 0,1624 0,0820 0,0364

Medición 1 2 3 4 5 6 7 8

Números de Reynolds calculados en cada medición: Número de Reynolds 564,125 909,878 1512,998 2677,643 3114,385 4221,837 2131,716 946,274

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Visualización de flujos

Tabla nº5: velocidades de cada medición

Tabla nº 6: número de Reynolds obtenidos

8.- Discusión de los Resultados Y CONCLUSIONES En este laboratorio aprendimos a observar distintos flujos, identificar el tipo de fluido visualmente y medir los parámetros necesarios para calcular su número de Reynolds, también en esta experiencia conocimos el funcionamiento del aparato de Reynolds y las condiciones necesarias que deben considerarse para la realización optima de este experimento , además aprendimos a identificar las características que diferencian a un flujo laminar donde este posee un arco curvo en el frente de avance mientras que el turbulento se mescla con el agua y su frente se ve más recto que curvo. En los cálculos e Identificación de las ecuaciones usadas podemos observar que la densidad el diámetro y la viscosidad son contantes y que existe por lo tanto una relación lineal entre velocidad del fluido y numero de Reynolds (a una temperatura de 14,6ºC). El número de Reynolds calculado concuerda con el tipo de fluido observado en laboratorio y aumenta este a medida que aumenta la velocidad del flujo desde la medición 1 hasta la 6, luego en la medición número 7 la velocidad fue disminuida debido a que como se puede observar en la tabla el tiempo aumenta y el volumen disminuye, aquí ocurre que a diferencia paso de un flujo laminar a turbulento es de forma gradual en este caso no lo es sino que ocurre una especie de frenado por lo que lo observado no coincide con el cálculo realizado posteriormente, como es una alteración no se considera este punto dentro del análisis.

Imagen nº 11: Relación entre velocidad y número de Reynolds A partir del grafico se puede obtener una relación lineal entre velocidad y numero de Reynolds en donde al aumentar la velocidad en el flujo el número de Reynolds, son directamente proporcionales. Para finalizar podemos decir qué para saber qué tipo de flujo tenemos en forma cuantitativa, calculamos el número de Reynolds, esto en la práctica nos puede servir como por ejemplo para el diseño de tuberías de abastecimiento de agua.

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Visualización de flujos

9.- Apéndice 9.1.- Desarrollo de Cálculo Caudal: Medimos en laboratorio volumen y tiempo en las 8 mediciones Caudal=Q 3

volumen(m ) tiempo (s) Con esto calculamos el caudal en cada punto de la medición

Q=

Donde Q también es: m 2 Q= velocidad ( )∗area(m ) s Lo que implica que velocidad (v) sea igual a: 3

V=

m ) s area(m 2)

caudal(

y Área=7,069 * 10-4 m2

Con esto obtuvimos la velocidad de cada medición Reynolds ( Re): Para este cálculo necesitamos saber: Diámetro (Ø)= 30mm Densidad = 1000 kg/m3 Temperatura =14,6 ºC De la temperatura se obtuvo mediante tablas la viscosidad absoluta, cabe decir que también podíamos haber ocupado la viscosidad cinemática (v) cambiando la formula ya que: Viscosidad cinemática=

viscocidad absoluta dencidad

; o mediante tabla también se puedo obtener

Viscosidad absoluta (µ)=1,154 * 10-3 Entonces:

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Visualización de flujos

Re= diámetro * densidad * velocidad / viscosidad absoluta Con esto calculamos el número de Reynolds para cada medición la cual es adimensional

9.2.- Bibliografía empleada - http://fjartnmusic.com/Personal/6o_Semestre_files/Re.pdf -Http://ocwus.us.es/ingenieria-agroforestal/hidraulica-y-iegos/temario/Tema%201.Principios%20de %20Hidraulica/tutorial_05.htm -https://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_de_Reynolds

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