PRÁCTICA III. EXPERIMENTO DE REYNOLDS

PRÁCTICA III.

EXPERIMENTO DE REYNOLDS

1. Objetivos

Objetivo general:

Determinar de manera experimental y teórica el número de Reynolds y comprobar visualmente que sea correspondiente para flujo laminar o turbulento.

Objetivos específicos:

• Construir un prototipo del modelo de Reynolds a escala para efectuar el procedimiento de identificación de flujos.
• Observar los diferentes tipos de régimen laminar, de transición y turbulento.
• Calcular el número de Reynolds y con él determinara que tipo de régimen se presenta en cada caso.
• Calcular el factor de fricción de fanning.

2. Introducción

El número de Reynolds toma gran importancia en la aplicación en flujo de fluidos. Es importante conocer la estructura interna del régimen de un fluido en movimiento ya que esto nos permite estudiarlo detalladamente definiéndolo en forma cuantitativa.

Para conocer el tipo de flujo en forma cuantitativa se debe tener en cuenta el número de Reynolds. Este análisis es importante en los casos donde el fluido debe 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 un estudio semejante se lleva a cabo para determinar el flujo de salida de un reciente por un tubo o por una red de tuberías. Los diferentes regímenes de flujo y la asignación de valores numéricos de cada uno fueron reportados por primera vez por Osborne Reynolds en 1883. Reynolds observo que el tipo de flujo adquirido por un fluido que fluye dentro de una tubería depende de la velocidad del líquido, el diámetro de la tubería y de algunas propiedades físicas del fluido

3. Antecedentes

El ingeniero alemán Gotthilf Hagen fue quien primero realizó experimentos con flujo interno, utilizando agua con aserrín en una tubería de latón y reportando que el comportamiento del fluido a la salida de la tubería dependía de su diámetro y de la velocidad y temperatura del fluido.

En 1840 Poiseuille desarrollo una ecuación de una manera analítica, (ecuación de Hagen – Poiseuille para flujo laminar) y en conciencia fue posible diferenciar dos tipos de flujo.

Posteriormente, Osborne Reynolds, luego de terminar su estudio de flujo en medio poroso, realizó experimentos en un montaje especial para estudiar más a fondo lo encontrado por Hagen para varias temperaturas y diámetros. Fue así como en 1883, reportó la existencia de regímenes de flujo y los clasificó de acuerdo a un parámetro que pudo deducir y llamo número de Reynolds.

En el caso de un tubo cilíndrico transportando un flujo de presión, como el de este experimento, el número de Reynolds queda definido de la siguiente manera:

[pic 1]

Donde V es la velocidad media, D es el diámetro del conducto y 𝒗 es la viscosidad cinemática.

4.Metodología

Fundamento:

El experimento consiste en inyectar pequeñas cantidades de fluido coloreado en un líquido que circula por una tubería de cristal observando el comportamiento de los filamentos coloreados en diferentes zonas, después de los puntos de inyección.

El número de Reynolds permite predecir el carácter turbulento o laminar en ciertos casos. Así por ejemplo en conductos si el número de Reynolds es menor de 2100 el flujo será laminar y si es mayor de 4100 el flujo será turbulento.

Para valores de Re ≤ 2100, el flujo se mantiene estacionario y se comporta como si estuviera formado por láminas delgadas o capas, que interactúan solo en base a esfuerzos tangenciales, por eso a este flujo se le llama flujo laminar.

[pic 2]

Para valores de 2100 < Re < 4100, la línea del colorante pierde estabilidad formando pequeñas ondulaciones variables en el tiempo, es imposible de predecir qué tipo de flujo existe, manteniéndose sin embargo delgada. Este régimen se denomina de Zona de Transición o Región Critica.

Para valores de Re ≥ 4100, después de un pequeño tramo inicial con oscilaciones variables, el flujo se dispersa hasta que adquiera un movimiento de torbellino en el que se forma corrientes cruzadas y remolinos, el colorante tiende a difundirse en todo el flujo. Este0 régimen es llamado flujo turbulento es decir caracterizado por un movimiento desordenado, no estacionario y tridimensional.

[pic 3]

Materiales:

• Manguera transparente.
• Jeringa.
• Matraz Erlenmeyer de 1 L.
• Cronometro.
• Válvula de paso.
• Cubeta (20 litros).
• Colorante.
• Agua.
• Accesorios.

Procedimiento:

Construcción del prototipo:

1. Hacer una perforación en la parte inferior de uno de los lados laterales de la cubeta del tamaño del diámetro de la manguera a usar.
2. Cortar la manguera en la distancia de ¾ del total de longitud.
3. En la válvula, conectar dos conectores de manguera y conectar ambas partes de la manguera.
4. En el orificio creado en la cubeta poner un conector de tubería y conectar la manguera por la parte de afuera.
5. Poner abrazaderas en cada una de las conexiones para evitar fugas.

Procedimiento de uso:

1. Llenar la cubeta hasta el tope y mantener siempre en ese nivel.
2. En la manguera, conectar una jeringa llena de tinta.
3. Abrir y la válvula y al mismo tiempo inyectar tinte para observar el flujo. Con la válvula regular el flujo para obtener el régimen de flujo deseado.

5. Resultados

Construcción:

Para construirla se utilizó una cubeta de 20L, en ella se le hizo un orificio en la parte lateral inferior de tal manera que se acoplo un conector de manguera.

La manguera se cortó en pedazos, un para mantener agua dentro y desde donde se inyectaría la tinta y otro para desaguar el agua. Estas dos partes se unieron por medio de una válvula de paso que tenía acoplada dos conectores de manguera (uno a cada lado), una vez hecho esto se procedió a acoplar la manguera en la cubeta y se pusieron abrazaderas en cada una de las conexiones para evitar fugas.

Pruebas:

Prueba a 50cm del suelo

El prototipo se colocó en un estante de 50cm de estatura para variar la presión. Una vez hecho esto se abrió la válvula y se procedió a dejar fluir un poco de tinta hasta determinar visualmente el régimen al que pertenecía y se cronometro el tiempo que tomo ese mismo caudal en llenar un matraz Erlenmeyer de 1L para determinar su velocidad.

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