PIV-Mecánica de Fluidos

Mecánica de Fluidos General – IWM220

Informe Laboratorio 3 – Medición de Viscosidad

Carlos Chacón L., Ricardo Guzmán P.

Profesor: Arturo González A.

Universidad Técnica Federico Santa María

Departamento de Ingeniería Mecánica

Viernes, 28 de Agosto, 2015

Resumen

En esta experiencia se busca determinar el perfil de velocidad de un fluido (agua) que circula por medio de una canal, el cual presenta un obstáculo trasversal, en donde se centrara el estudio. El campo de velocidad se medirá usando la técnica de velocimetría de partícula (PIV), con esta técnica, y con la ayuda de un software se obtiene una descripción cualitativa del flujo, pudiendo estudiar tanto el campo de velocidad como la vorticidad, las líneas de corriente, etc.

1. Introducción a la teoría

Con la utilización de la técnica de velocimetría de partículas es posible analizar el campo de velocidad en un plano deseado por donde circule el fluido, esto es posible ya que se toma una secuencia de fotografías con un determinado intervalo de tiempo entre ellas (). Con la ayuda de un software computacional, 2 de estas fotografías se superponen y así analizar el fluido en un instante dado.[pic 1]

Es posible caracterizar el comportamiento del fluido, para esto se utiliza el número adimensional Reynolds, y así determinar si el fluido se encuentra en un régimen turbulento o laminar.

                                   (1)[pic 2]

,  es el número de Reynolds,  La densidad del fluido,  velocidad del fluido,  Viscosidad del fluido, y El diámetro hidráulico. [pic 3][pic 4][pic 5][pic 6][pic 7]

Este número aparte de relacionar características del fluido para determinar su régimen, también depende de las características geométricas del canal que lo trasporta, es por esto que se utiliza el diámetro hidráulico:

                          (2)[pic 8]

 , donde  corresponde al área transversal por donde pasa el fluido, y  su perímetro. Este diámetro varia para distintas geometrías, por ejemplo en el caso de una tubería circular, simplemente corresponde al diámetro de esta.[pic 9][pic 10]

Para obtener el valor de la velocidad con que circula el fluido se utiliza el teorema de valor medio, para esto, en el software se superponen 2 fotografías consecutivas, las cuales se subdividen de pequeños cuadros, estos son llamados Interrogation Windows (IW). El software compara los cuadros de la primer imagen con la segunda midiendo el desplazamiento de las partículas en pixeles usando un análisis estadístico y así obtiene el desplazamiento más probable para cada partícula. Como se tiene una imagen de calibración, es posible dar un valor de longitud a cada pixel y con la frecuencia de captura de las imágenes se puede obtener la velocidad para una partícula, posteriormente se hace un promedio de ellas.

2.  Procedimiento experimental

Antes de comenzar con la experiencia, se toma registro de las condiciones ambientales del laboratorio.

Se dispone de un canal transparente de , por donde circulará el agua con partículas de arcilla con una tamaño de entre , el tamaño de estas partículas ayuda a que sigan bien las líneas de corriente del fluido.[pic 11][pic 12]

En medio del canal se dispone de un obstáculo cilíndrico posicionado de manera trasversal al canal, en esta parte de centra el estudio, y se realizan 3 secuencias de fotografías, a la izquierda, centro y derecha del tubo.

Previo a cada secuencia de fotos se realiza una calibración de la PIV, para esto se posiciona una regla verticalmente dentro de un vaso de precipitado con agua con dimensiones similares al canal y se coloca por donde circulara el agua, se enfoca la cámara de manera de ver nítidamente la regla y se captura la imagen. Esta imagen es llevada al programa Paint, en donde se analiza para cada calibración la cantidad de pixeles que hay en una cierta longitud que se aprecie en la regla. Este proceso es crucial para luego determinar la velocidad del fluido.

Una vez tomada la fotografía de calibración se pone en circulación el agua con las partículas ya mencionadas. Se ilumina con un láser (Laserglow Brightline Pro,  ) la sección que se quiere estudiar de manera como se muestra en la siguiente imagen:[pic 13]

Imagen 1: Esquema del montaje experimental.

La captura de imágenes se realiza con una Jai Pulnix, que permite la resolución adecuada ( píxeles), con una frecuencia de  (intervalos de tiempo de )[pic 14][pic 15][pic 16]

Como se mencionó primero se toma la imagen de calibración y después la secuencia de fotos al fluido, primero a la izquierda del obstáculo, y se repite el mismo procedimiento guardando las imágenes para el centro y la derecha del obstáculo.

Una vez guardadas las imágenes se procede a analizarlas en el programa PIVlab_1.32, en donde es posible determinar el campo de velocidad y la velocidad promedio (mencionada en la introducción a la teoría), e información adicional como las líneas de corriente, la vorticidad, perfiles de velocidad, etc etc.

3. Resultados

Las condiciones ambientales al momento de iniciar la experiencia fueron:

Tabla 1: Condiciones iniciales del laboratorio.

Con ayuda del PIVlab_1.32 se obtuvieron los siguientes gráficos e imágenes para cada posición en estudio, como campos de velocidad, líneas de corriente, y gráficos que entregan información sobre la velocidad.

Izquierda

[pic 20]
Imagen 2: campo de velocidad y líneas de corriente a la izquierda del obstáculo.

[pic 21]
Gráfico 1: Gráfico de la velocidad en función de la posición.

El gráfico 3 analiza la velocidad transversal en una línea vertical que se traza justo a la izquierda del obstáculo.

[pic 22]
Gráfico 3: Histograma que muestra la frecuencia de la velocidad a la izquierda del obstáculo.

[pic 23]
Gráfico 4: Distribución de la velocidad en cada eje para cada partícula del fluido a la izquierda del obstáculo.

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