LABORATORIO N 1 EXPERIMENTO DE OSBORNE REYNOLDS

Por: Milton Camilo Jimnez Jeferson Wilches

Profesor: Ingeniero, Guillermo Hernndez

Universidad minuto de Dios Facultad de ingeniera ingeniera civil Hidrulica de tuberas Bogot D. C marzo de 2012 INTRODUCCIN

Mediante este experimento podremos observar las caractersticas de los diferentes flujos Laminar, transicin y turbulento en una tubera o conducto, reproduciendo el experimento de Osborne Reynolds.

OBJETIVOS

* Visualizar e identificar los diferentes regmenes de flujo. * Con los caudales obtenidos determinar el caudal promedio. * Con las alturas obtenidas, determinar la altura final. * Calcular la velocidad media * Determinar el nmero de Reynolds.

MARCO TEORICO

Entre los mayores logros de Reynolds se sita la visualizacin de flujos laminar y turbulento en conductos y su anlisis sobre parmetros de dependencia d la transmisin a rgimen turbulento. l uso un tanque donde realizo sus ensayos y empleo colorantes inyectados en el agua para visualizar los diferentes tipos de flujos. En la instalacin de su tanque conecto una tubera descendente de desage con el suficiente desnivel necesario para que circule el agua, al final de la tubera hay una vlvula de regulacin para controlar el caudal de agua desalojado es decir la velocidad de la corriente. Mediante este experimento se pudo observar flujo laminar, con oscilacin, transicional y posteriormente turbulento. Este cientfico descubri que la existencia de uno u otro flujo dependen del valor de agrupacin de las variables relevantes del flujo. Paramento que en su honor se le denomino numero de Reynolds. Re= (velocidad media x dimetro) / Viscosidad cinemtica

Los resultados que obtenemos de esta formula evidencia tres tipos de flujos determinados por estos intervalos: * Si Re < 2000, el flujo es laminar.

* Entre 2000 < Re 4000 el flujo es turbulento.

CONCLUCIONES

Abriendo la vlvula: * En la abertura 1 y 2 se ve un flujo laminar. * En la abertura 3 el flujo se encuentra en transicin pasando de laminar a turbulento. * En las aberturas 4 24 el flujo es turbulento y a medida que aumenta el caudal aumenta su turbulencia y en las aberturas 18 24 las perdidas llegan a ser la misma. * La grafica evidencia que a mayor altura final debe haber mayor velocidad media. Lastimosamente la grafica no pudo ser exacta y creemos que pudo ser por la vlvula que causo perdidas y esos cambios tan bruscos evidenciados en la grafica

Cerrado la vlvula: * En la abertura 1 se evidencia el flujo lamiar. * En la abertura 2 y 3 el flujo se encuentra en transicin pasando de lamiar a turbulento. * En la abertura 4 24 es evidente que el flujo es completamente turbulento. * La grafica evidencia que a mayor altura final debe haber mayor velocidad media. Lastimosamente la grafica no pudo ser exacta y creemos que pudo ser por la vlvula que causo perdidas y esos cambios tan bruscos evidenciados en la grafica.

Laboratorio De ReynoldsUNIVERSIDAD TECNOLOGICA METROPOLITANA LABORATORIO MECANICA DE FLUIDOS Experiencia N1 Determinacin de tipos de flujo segn Reynolds

INTRODUCCION Dando inicio a esta experiencia del Laboratorio de Mecnica de Fluidos, comenzaremos estudiando el comportamiento de los fluidos del tipo liquidos, los cuales dependern de su flujo en base al tema principal de este informe, el Numero de Reynolds. El llamado Numero de Reynolds debe su nombre a quien lo descubri despus de varias experimentacin, el fsico e ingeniero irlands Osborne Reynolds, quien realizo importantes aporte y contribuciones a la Dinmica de Fluidos e Hidrodinmica, en conjunto con introducir el numero encontrado a la ciencia por all por los aos 1883. Osborne Reynolds dio clasificacin a tres tipos posibles de comportamiento en los cuales podemos hallar un fluido desplazndose a lo largo de un tubo. Este puede ser hallado en su estado inicial o primer estado de baja velocidad, en donde las partculas del fluido viajan en una aparente armona de forma paralela a las paredes que lo rodean o contienen, denominndolo en este caso como Flujo Laminar, y en cuanto al nmero de Reynolds en este estado inicial mencionado, podemos encontrarlo por debajo del ndice de 2000.Por otro lado encontramos lo que se llama Flujo Turbulento, que el flujo el cual la velocidad en que el fluido se desplaza es considerablemente mayor que el anterior mencionado, en este caso las partculas circulan de manera aleatoria, originando corrientes transversales y torbellinos en el interior del tubo, este tipo de flujo presente un Numero de Reynolds superior al 4000.Otra manera de encontrar el flujo, es en el instante en que el filudo viaja a velocidad media, presentando al principio del tubo caractersticas similares al de Flujo Laminar, variando a medida que nos vamos desplazando a lo largo de dicho tubo, donde podemos hallar caractersticas similares a las de un Flujo Turbulento, este tipo de comportamiento esta denominado como Flujo Transitorio, con su Numero de Reynolds entre 2000 y 4000. En nuestro afn y propsito de identificar frente a qu tipo de flujo nos encontramos, se hace uso de la aplicacin de un colorante derivado del Potasio que es ingresado al agua mediante un regulador de manera de observar el comportamiento lineal o turbulento de esta especie de seal o lnea purpura, que muestra el desplazamiento a las distintas velocidades que se proponen en el experimento. El flujo viajar de forma lineal sin mayores distorsiones en los Flujos Laminares y mostrara mayor caos en los Flujos Turbulentos. OBJETIVOS En la siguiente experiencia se lograr y determinar los siguientes puntos: Determinar de manera cualitativa el tipo de Flujo y su comportamiento con respectivos valores tericos arrojados. Obtencin de una ecuacin para calcular el Nmero de Reynolds en funcin del Caudal. Determinar Velocidad mxima para una serie o conjunto de datos encontrados de manera experimental

ESQUEMA INSTALACIONES Y MATERIALES USADOS La instalacin mostrada en el esquema, es un explicativo de la usada en la experiencia, y tal como muestra dicha figura, nuestro sistema est compuesto por dos estanques, uno que es principal (A) el cual alimenta la lnea de observacin, y un segundo estanque llamado de Reserva (B), el cual est en su totalidad con agua, siempre en espera de que el (A) quede sin alimentarse de agua. El llenado del estanque A se realizo por medio del uso de una bomba que extrae lquido del estanque B, el cual es llenado directamente por las caeras de agua. La presin que hay de agua en el estanque A, produce que el fluido salga hacia un tubo transparente que permite la observacin del experimento, el que finalmente consta de una especie de vlvula y una compuerta situada al termino de este, dispositivo el cual nos permite aumentar o disminuir como sea nuestro requerimiento del caudal saliente del sistema mencionado. Para facilitar la observacin experimental, se hace uso del colorante situado en altura contenido en un recipiente, colorante el cual es vertido directamente al tubo, junto con el flujo saliente, el que se diferencia fcilmente para nuestra simplicidad dado su color intenso de propiedades purpureas debido a su procedencia del Potasio (Permanganato de Potasio), el cual una vez en accin con el flujo de agua en la tubera transparente, hace posible identificar los flujos y diferenciarlos para lograr nuestro estudio.

Junto con el sistema anterior mostrado y explicado brevemente, tambin se hizo uso de los siguientes instrumentos para obtener mediciones y muestras ms representativas y exactas posibles: Cronometro Termmetro Cubeta Graduada METODOLOGIA EXPERIMENTAL 1. A continuacin se presenta de manera consecutiva los pasos seguidos en la experiencia: 2. Reconocimiento e individualizacin de componentes, piezas y funcionamiento de equipo a usar. 3. Constatar nivel ptimo de agua en ambos estanques. 4. Verificar que corriente del panel alimentadora para motor, est conectada. 5. Verificar que la llamada Vlvula 1 se encuentre abierta (Estanque B) y la Vlvula 2 este cerrada (Estanque A). 6. Verificados y revisados los puntos anteriores, se procede a encender la bomba. 7. Luego de encender bomba, se procede a medir temperatura del agua en estanque A. 8. Ahora podemos modificar flujo del agua mediante regulacin de Vlvula en la compuerta. 9. De manera similar y simultnea en que se regula el flujo del agua, se abre la vlvula la cual permite acceso y paso deseado del colorante. 10. Con diversas medicines mediante apertura de vlvula realizamos el clculo del Caudal en cada caso (Diversas aperturas de Vlvula). Para ello hacemos uso de la cubeta graduada y del cronometro. 11. Se procede a colocar la cubeta en el lugar o punto donde sale el flujo del tubo, y al mismo tiempo, tomando el tiempo. Se deja llenar la cubeta deteniendo el cronometro en ese tiempo, se procede luego a anotar los tiempos, el Volumen al que fue llenada la cubeta de agua. Con estos datos podemos calcular el Caudal el cual est dado por Volumen Dividido por el tiempo. 12. Una vez conociendo el caudal y el dimetro del tubo (xxx), se puede conocer la velocidad lineal media del Flujo que es igual al Caudal Dividido por el rea de la seccin transversal.

13. Recopilados los datos, se procede a encontrar la Viscosidad y la densidad del flujo en tablas para la temperatura en la cual se encuentra el agua (Temperatura que fue tomada al principio del experimento). 14. Teniendo los datos anteriores calculados, se puede ahora calcular el Numero de Reynolds que esta dado por la siguiente frmula:

: Numero de Reynolds : Dimetro interior de la tubera [m] V: Velocidad lineal media del flujo [m/seg] : Densidad del fluido [kg/ ] : viscosidad del fluido [kg/mseg]

15.- Ahora cada dato obtenido se compara con los criterios anteriormente establecidos para el Nmero de Reynolds, los cuales son los siguientes: Valores Superiores a 4000, este es un FLUJO TURBULENTO. Valores fluctuantes entre 4000 y 2000, este es un flujo en ESTADO TRANSITORIO. Valores inferior a 2000, este es un FLUJO LAMINAR.

8

DATOS EXPERIMENTALES En esta experiencia se logro obtener datos de 12 diferentes aperturas de la vlvula compuerta, los cuales se relacionan en tiempo con el volumen, con los cuales e obtendrn el el Caudal del tubo. El estado observado hace referencia, a simple vista, a como se mova el colorante en el flujo de agua. Dichos datos mencionados son mostrados en la Tabla N 1.

Medicin 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Tiempo [s] Volumen [m3] 43.86 0.002 40.79 0.002 39.35 0.002 35.59 0.002 21.00 0.002 20.43 0.002 20.87 0.002 20.18 0.002 12.09 0.002 8.73 0.002 8.34 0.002 6.41 0.002 Tabla N1 Datos Observados

Estado Laminar Laminar Laminar Laminar Transicin Transicin Transicin Transicin Turbulento Turbulento Turbulento Turbulento

Adems obtuvimos los siguientes datos necesarios para completar las formulas y obtener los resultados que nos permitirn comparar nuestro experimento con los datos tericos que se nos entregan. Dimetro interior del tubo : 0.03999 [m] Temperatura del fluido : 14.8 [C] rea de la seccin transversal : 0.0009615 [

]

Obtenemos los siguientes datos por tabla, a la temperatura del agua observada en la experiencia: Viscosidad cinemtica Densidad : 1.14864x : 999.04 [kg/ [ ] /s]

9

ANALISIS DE RESULTADOS Teniendo como objetivo primordial en esta experiencia encontrar el Nmero de Reynolds, para cada flujo en concreto. Una vez comprobado el tipo de flujo que perteneca cada uno ms all de una simple visualizacin de este, con el procedimiento antes descrito y mencionado, hemos podido construir la siguiente tabla. La Tabla N2 nos muestra y seala cada medicin realizada por el equipo del laboratorio, con el respectivo Caudal y Velocidad media. Adems con la ayuda de los datos encontrados en la tabla para cada uno de los flujos se calcul su respectivo Nmero de Reynolds, como se puede ver en la siguiente Tabla.

Medicin 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Tiempo [s] 43,86 40,79 39,35 35,59 21 20,43 20,87 20,18 12,09 8,73 8,34 6,41

Volumen [m3] Caudal [m3/s] Vel. Media [m/s] 0,002 4,55996E-05 4,74E-02 0,002 4,90316E-05 5,10E-02 0,002 5,08259E-05 5,29E-02 0,002 5,61956E-05 5,84E-02 0,002 9,52381E-05 9,91E-02 0,002 9,78953E-05 1,02E-01 0,002 9,58313E-05 9,97E-02 0,002 9,9108E-05 1,03E-01 0,002 0,000165426 1,72E-01 0,002 0,000229095 2,38E-01 0,002 0,000239808 2,49E-01 0,002 0,000312012 3,25E-01 Tabla N2 Datos Observados y calculados para Reynolds

Re 1651,18096 1775,454692 1840,43 2034,863638 3448,609375 3544,826083 3470,09089 3588,741174 5990,140354 8295,623927 8683,548787 11298,09624

Teniendo en cuenta que cada dato fue obtenido de la siguiente forma:

Caudal:

Velocidad media:

Nmero de Reynolds:

V: Volumen tubo T: Tiempo Cinemtica

A: rea seccin transversal Q: Caudal

D: Dimetro interior : Viscosidad : Velocidad media

10

Luego con todos los clculos correspondientes a esta experiencia realizados, estamos en condiciones de poder evaluar a qu tipo de flujo pertenece cada medicin realizada, segn el siguiente criterio del nmero de Reynolds: Valores superiores a 4000 Valores entre 4000 y 2000 Valores inferiores a 2000 Medicin 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 : : : Turbulento Transitorio Laminar Caudal LAMINAR LAMINAR LAMINAR TRANSICION TRANSICION TRANSICION TRANSICION TRANSICION TURBULENTO TURBULENTO TURBULENTO TURBULENTO

Reynolds 1651,18096 1775,454692 1840,426859 2034,863638 3448,609375 3544,826083 3470,09089 3588,741174 5990,140354 8295,623927 8683,548787 11298,09624

Tabla N3 Clasificacin de Flujos segn Reynolds

Luego de analizar los resultados obtenidos podemos darnos cuenta, de que lo anteriormente observado en un primer instante de manera Experimental, era congruente con los datos encontrados tras el clculo del Numero de Reynolds para los caudales medidos en esta experiencia. El nico dato que difiere en nuestra observacin preliminar fue la medicin N 4 que fue observada primeramente como Flujo Laminar , comportndose ante nuestros ojos con caractersticas Laminares en el principio, para luego ir tomando forma y caractersticas de Transicin a medida que este se aleja de la salida de la tinta en el tubo. Contrario a esto, luego de calcular nuestro Nmero de Reynolds podemos dilucidar que dicha medicin se trata de un flujo netamente Transitorio ya que sobrepasa los 2000.

11

CONCLUSIONES Para esta primera experiencia del Laboratorio de Mecnica de Fluidos, una vez medir, registrar y calcular, se encontr el Nmero de Reynolds para distintas muestras extraidas.Pudimos constatar que en la mayora de las muestras exista una coherencia entre lo observado a simple vista y los clculos arrojados mediante la frmula de Renolds. Para las tres primeras muestras se observa y deduce la relevancia de los observado a simple vista al principio, de manera que es un Flujo que viaja en lnea paralela a las paredes que lo contienen, y luego demostrando mediante Reynolds su caracterstica para Flujos Laminares para los datos menores a 2000,como podemos ver en la Tabla N X. Para los siguientes flujos medidos, que fueron desde el 5to al 8vo dato medido en principio se present la dificultad de clasificarlos entre Laminares y Turbulento dada sus caractersticas mixtas que extraan comportamientos de ambas clasificaciones de Flujos, mostrando en inicio comportamiento de Laminar, para luego ir distorsionndose levemente a medida de si viaje en el tubo. Estos datos descritos fueron clasificados como Transitorios, y luego confirmados por medio del Nmero de Reynolds para los casos que van desde el 4 al 8, mostrando incorconrdancia solo en la muestra 4 antes mencionada en un principio como Laminar, y por Reynolds clasificada como de Transicin. Luego en el caso de las mediciones que van desde el 9no al 12avo dato, se pudo ver en principio su comportamiento Turbulento, y luego confirmando dicha observacin con el Numero de Reynolds, estableciendo claridad dado sus datos numricos que van desde el 5990 al 11000 de que efectivamente se trataba de un Flujo Turbulento sin lugar a dudas.

En resumen, podemos hacer una mirada los puntos tratados y a los objetivos planteados en principio, y podemos concluir que fueron cumplidos satisfactoriamente. La facultad de poder reconocer los distintos tipos de flujos tratados, con sus respectivas caractersticas, adems de obtener mediciones reales y fidedignas de que las mediciones hechas a simple vista pueden ser reafirmadas mediante el uso del clculo del Numero de Reynolds, asegurando as una fidelidad de datos que vienen a confirmar lo observado anteriormente solo a simple vista. El caso del nico dato que fue contrariado por su Numero de Reynolds, el caso de la medicin N 4 fue absolutamente relevante relevante al momento de hacer el clculo y afirmar por sobre la observacin humana, sujeta siempre a errores, que se trataba dado su rango numrico, de un Flujo Transitorio. 12

As, de manera definitiva y culmine, identificar y hacer uso del Numero de Reynolds para la clasificacin de los Flujos observados de un caudal es muy relevante en el caso del estudio de dichos caudales, y a la hora de implementar una observacin y medicin futura, el nfasis y la fidelidad de estos datos nos pueden ayudar y dar certeza de que lo observado tiene veracidad al usar la herramientas tan necesaria como el Numero de Reynolds.

13

BIBLIOGRAFIA WIKIPEDIA/ Trminos y definiciones especificas acerca de Flujos Laminares y Turbulentos Rincn del Vago / Ideas principales acerca del uso del Numero de Reynolds en Mecnica de Fluidos Documento Experiencia N1 Determinacin de Tipos de Flujo segn ReynoldsPractica 11: Nmero de ReynoldsOBJETIVOSObservar y determinar mediante el aparato de Reynolds la diferencia entre flujo laminar, transicin y turbulento.De acuerdo a los conceptos adquiridos en el anterior curso de Mecnica de Fluidos identificar con certeza las caractersticas del flujo.Conocer y aprender a manejar con destreza el aparato de Reynolds y sus aditamentos de ayuda.2. MARCO TERICOEn el curso de Mecnica de Fluidos e hidrulica se determin que las perdidas de un flujo dependen casi que exclusivamente del tipo de flujo, ya sea laminar, transicin o turbulento; esto se sabe hallando una medida adimensional llamada nmero de Reynolds:NR = V.D. / donde V es velocidad promedio del fluido, densidad, D dimetro del conducto, viscosidad dinmica del fluido a temperatura ambiente de 30C que es de 8.03 E (-7).Si el # de Reynolds del fluido se encuentra en un rango menor de 2000 el flujo es laminar si se encuentra entre 2000 y 4000 el flujo es de transicin y si el flujo es mayor de 4000 es turbulento. 3. EQUIPOAparato de ReynoldsTermmetroTubos piezomtricosRotmetroCalibrador y cinta mtricaRecipiente y probeta graduada.

4. PROCEDIMIENTOSe debe mantener el aparato sin vibracin ya que hay flujos difciles de determinar, y el azul de metileno se puede distorsionar muy fcil, adems debe estar constante el nivel del agua en el tanque de suministro.Se abra la vlvula del tanque y se empieza a observar que flujo toma el agua, con ayuda del azul de metileno.Se da paso al fluido con el rotmetro girando la perilla que va a graduar el gasto de 0.1 a 1 GPM ( galones por minuto ), e hicimos mediciones cada 0.1 hasta 0.9 e ir observando el tipo de flujo que indica el trazo del azul de metileno dentro del tubo.Se miden las distancia entre los puntos de los piezomtros y el dimetro del tubo.

5. CALCULO TIPONR = V.D. / = V.D/donde la V es la velocidad del fluido en m/s, D es dimetro interno del tubo, es viscosidad cinemtica m/s, es viscosidad dinmica N.s/m, es densidad en Kg/m 6. ANLISIS E INTERPRETACIN DE RESULTADOSTubo: L= 1 m. D = 0.016 m A= 2.01 x 10 m

NOTA: estos datos fueron tomados por medio del diagrama de Moody, calculando el coeficiente de friccin mediante la formula : 7. CONCLUSIONESPudimos observar que el flujo turbulento pareca catico y no uniforme, y existe bastante mezcla del fluido. Una corriente de azul de metileno que fuera introducida en el flujo turbulento, inmediatamente se disparara en el flujo principal del sistema como se present en la prctica del laboratorio.Los valores del numero de Reynolds estn supeditados a errores en el aparato ya que por falta de mantenimiento su precisin se ve afectada; por eso nos resultaron flujos turbulentos a bajos caudales.Al calcular el numero de Reynolds en el laboratorio y observando el comportamiento del fluido podemos constatar que su valor oscila en un rango muy cercano al de su valor terico.El nmero de Reynolds es fundamental para caracterizar la naturaleza del flujo y as poder calcular la cantidad de energa perdida debido a la friccin en el sistema