Informe Verificar los modelos de flujo laminar o turbulento, que se presentan cuando está fluyendo un líquido por una tubería.

PRÁCTICA N° 03: EXPERIMENTO DE REYNOLDS.

1. OBJETIVOS:

• Realizar el experimento de Reynolds.
• Verificar los modelos de flujo laminar o turbulento, que se presentan cuando está fluyendo un líquido por una tubería.
• Reafirmar los conceptos teóricos estudiados.
• Hallar el caudal, velocidad promedio a través de la tubería.

1. FUNDAMENTO TEÓRICO.

1. NATURALEZA  DEL FLUJO DE UN FLUIDO.

Cuando un fluido fluyea través de una tubería o sobre una superficie, el modelo de flujo variará con la velocidad, las propiedades físicas del fluido y la geometría de la superficie.

1. EXPERIMENTO DE REYNOLDS.

Osborne Reynolds en 1883 reportó un experimento que es válido hasta nuestros días para demostrar la naturaleza del flujo de un fluido, el aparato que utilizó se representa en la figura 3.1.

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Figura 3.1.  Aparato de  Reynolds para estudiar los modelos de flujo.

En un tanque de vidrio con agua a nivel constante es sumergido un tubo de vidrio con entrada acampanada y diámetro conocido, el flujo de masa o caudal a la salida se controla por medio de una válvula. En el centro del tubo por intermedio de un capilar se introduce una corriente muy fina colorante soluble en agua, en ese punto la velocidad de la corriente del colorante se hace igual a la del agua. A velocidades bajas del flujo de agua, el filamento del colorante se mantiene a lo largo de todo el eje del tubo, tal como se presenta en la figura 3.2, tendiendo a ensancharse muy poco aguas abajo, el ensanchamiento del filamento se debe al fenómeno de difusión molecular del colorante en el agua.

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Figura 3.2. Modelo del flujo a velocidades bajas.

A velocidades mayores como se observa en la figura 3.3. El filamento del colorante se quiebra en porciones finitas de considerable tamaño, corriente abajo estas porciones o remolinos se separan mucho más y el colorante introducido es homogéneamente dispersado.

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Figura 3.3. Modelo del flujo a velocidades moderadas.

A  velocidades  elevadas o altas, como se ve en la figura 3.4, las actividades de los remolinos son muy violentas, prestándose una mezcla total entre el agua y el colorante, la coloración se hace bastante homogénea, se presenta por todo el tubo y se aproxima al punto de inyección del colorante.

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Figura 3.4. Modelo del flujo a velocidades altas.

1. FLUJO LAMINAR Y TURBULENTO.

1. Flujo laminar.

Es un modelo de flujo que se presenta a velocidades bajas del fluido en forma de corrientes paralelas, el fluido se mueve sin mezclar lateral y las capas contiguas se deslizan unas sobres otras, no existe corrientes transversales ni torbellinos, el transporte del fluido es a nivel molecular, figura 3.2.

1. Flujo turbulento.

Es otro modelo de flujo que se presenta a velocidades más altas del fluido, el fluido se desplaza al azar dando lugar a corrientes transversales y remolinos, existe una turbulencia total del fluido, figura 3.4. el experimento de Reynolds demuestra claramente la naturaleza de la transición entre flujo laminar y turbulento de un fluido, existe dos velocidades críticas una mayor y otra menor, la mayor indica que por debajo de ellas las oscilaciones del flujo son inestables y la menor indica que por encima de ella también existe un flujo en estado en transición.

1. Diferencia del flujo laminar y turbulento.

La diferencia entre el movimiento laminar y el movimiento turbulento se dará en base a la velocidad critica, de esta forma cuando la velocidad media en la sección es menor que la velocidad crítica el movimiento es laminar y si la velocidad media en la sección es mayor que la velocidad crítica el movimiento es turbulento. La velocidad crítica, a su vez, dependerá del diámetro del tubo y del valor de la densidad y viscosidad del fluido, habiéndose comprobado que cualquiera que sea el fluido se presenta condiciones críticas cuando el llamado número de Reynolds, que es adimensional, supera a un valor experimental del orden de 2000.

1. NÚMERO DE REYNOLDS.

El número de Reynolds, NRe fue propuesta por Osborne Reynolds como un criterio para determinar la naturaleza del flujo en conducciones y tuberías. Reynolds encontró que la velocidad crítica, para que un flujo pase de laminar a turbulento depende de cuatro variables:

1. Diámetro del tubo.
2. Viscosidad.
3. Densidad.
4. Velocidad lineal media del líquido.

Estas cuatro variables pueden combinarse para formar un grupo, que indica que el cambio del modelo de flujo se presenta para dos valores definidos por el NRe. Para NRe inferiores a 2100 se presenta siempre flujo laminar, para NRe superiores a 4000 se presenta siempre flujo turbulento. Entre 2100 y 4000 existe una región en transición o estado inestable donde el tipo de flujo puede ser laminar o turbulento, dependiendo de las condiciones del sistemas.

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