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Cuando un fluido
circula por una tubería lo puede hacer en régimen laminar o en régimen
turbulento. La diferencia entre estos dos regímenes se encuentra en el
comportamiento de las partículas fluidas, que a su vez depende del balance
entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas o de rozamiento
Régimen 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. Suele
presentarse en los extremos finales de los laterales de riego y en microtubos
de riego.
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.
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.
El número de Reynolds (Re) es el parámetro que expresa la
relación entre las fuerzas de inercia y las viscosas en el interior de una
corriente, por lo que el régimen hidráulico va a depender de su valor. También
se define como un parámetro adimensional cuyo valor indica si el flujo sigue un
modelo laminar o turbulento.
El número de
Reynolds depende de la velocidad del fluido, del diámetro de tubería, o
diámetro equivalente si la conducción no es circular, y de la viscosidad
cinemática o en su defecto densidad y viscosidad dinámica.
Matemáticamente, el Re es un parámetro
adimensional que expresa la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas
de viscosidad o de fricción en el interior de una corriente, que se expresa
para una tubería de sección circular, de la siguiente forma:
En una
tubería circular se considera:
• Re <
2000 El flujo sigue un comportamiento laminar.
• 2000 <
Re < 4000 Zona de transición de laminar a turbulento.
• Re >
4000 El fluido es turbulento.
OBJETIVOS
- - Calcular
el Número de Reynolds para un sistema de flujo y observar el cambio de régimen
con ayuda de una tinta disuelta en agua.
- - Demostrar
el experimento de Osborn Reynolds.
- - Determinar
los Números de Reynolds para flujos laminares y turbulentos
MATERIALES
Modulo básico Gunt HM 150
PROCEDIMIENTO
1°
- Instalar el Módulo HM 150.18 sobre Módulo Básico HM 150, conectando la
manguera de salida de la bomba en la tubería de empalme N° 12, y la manguera de
salida del módulo a un desagüe, de tal manera que no se tiña el agua del
depósito de la bomba.
2°
- Cerrar la válvula de salida de la bomba, la válvula N° 11 y la válvula N° 1,
de salida del módulo.
3°
- Manteniendo cerrada la válvula N° 7, llenar con tinta el depósito N° 8.
4° - Poner en funcionamiento la bomba,
abriendo lentamente la válvula de salida de la misma. Abrir un poco la válvula
N° 11, con lo cual el agua sube por el tubo rebosadero N° 10 hasta el depósito
de reserva N° 9, llenando enseguida el tubo N° 3.
5°
- Abrir un poco la válvula de salida N° 1, regulando un flujo tal que se
mantenga un nivel constante en el depósito N° 9, manipulando también la válvula
N° 11. No debe permitirse que se llene completamente el depósito, ni que se
suspenda el flujo hacia la pieza de salida N° 5.
6° - Medir con la jarra aforada el mayor
volumen de agua que pueda medirse con precisión, tomando el tiempo con el
cronómetro suministrado, con el fin de determinar el caudal empleado. Anotar en
la planilla los datos de volumen y tiempo.
7° - Abrir ligeramente la válvula N° 7, del
depósito de tinta, de tal manera que se observe la entrada de la tinta a la
corriente de agua en el tubo N° 3.
8° - Si el flujo es laminar, se observará una
línea de tinta recta, que no se mezcla con el agua. Cerrar inmediatamente la
válvula N° 7, del depósito de tinta. Anotar en la planilla cómo se observa el
régimen.
9° - Regular nuevamente un caudal un poco
mayor, repitiendo los Pasos 5, 6 y 7.
10°
- Deben hacerse varios ensayos cambiando el caudal, de tal manera que se vaya
incrementando el Número de Reynolds, observando cuándo se consigue la
transición de régimen laminar a régimen turbulento.
11°
- Terminado el experimento debe hacerse limpieza al depósito de tinta.
RESULTADOS
Para diferentes caudales se obtuvieron los siguientes resultados.
LAMINAR
En esta imagen se puede apreciar que la tinta dibuja una mancha en el fluido que es prácticamente lineal, que es la característica que da el flujo laminar con un número de Reynolds entre 0 y 2000
TRANSICIÓN
En esta imagen se puede apreciar un flujo de transición, ya que la tinta tiene comportamiento entre turbulento(tinta desaparece) y laminar(linea de tinta). El numero de Reynolds para este flujo debe ser entre 2000 y 4000.
TURBULENTO
En esta imagen no se observan manchas de tinta en el fluido, es por esto que el flujo es de caracter turbulento. Este flujo debe tener un Reynolds mayor a 4000.
CÁLCULOS
Donde v es la velocidad del flujo, D es el diametro interno y (v) es la viscosidad del aire
Q= v * A
ANALISIS DE RESULTADOS
En la tabla se muestra que el número de Reynolds es directamente proporcional a la velocidad.
Como se puede observar en la tabla de resultados y la de cáculos, el flujo laminar se da a caudales muy bajos y por tanto a velocidades bajas. En este experimento el flujo laminar puede verse cuando la tinta marca una mancha prácticamente lineal. Así, al hallar el número de Reynolds experimental se obtuvo entre 0 y 2000 lo cual es lo estipulado por la literatura. Por tanto podemos decir que el error fue de 0 % en este caso.
Respecto al flujo de transición, se trató de llegar a un caudal mayor para aumentar la velocidad y por tanto el número de Reynolds. Así, la mancha de tinta se distorsionó como se logra ver en la imagen de resultados. Sin embargo, al calcular el número de Reynolds que deberia estar entre un valor de 2000 y 4000, se obtuvo un valor de 407,4, con el que se establece un error del 79,63%. Este error puede deberse a la toma del caudal inexacta por error humano, o a que la válvula de tinta no estaba bien calibrada.
Finalmente, respecto al flujo tubulento, tuvimos que aumentar el caudal de forma drástica para que el número de Reynolds también aumentara significativamente y debido a esto las manchas de tinta se desaparecieron totalmente del fluido como se ve en la imagen de los resultados. No obstante, al calcular el número de Reynolds para este caso, a pesar de que dio mayor, no fue el esperado que sería mayor de 4000, en cambio se obtuvo un valor de 1962,96 que pertenece a un flujo laminar. Dejando un error de 50,9%, este margen de error puede deberse a un error al medir el caudal o a un fallo con las valvulas del montaje.
CONCLUSIONES
- Con ayuda de la tinta disuelta en el agua pudimos diferenciar entre los tres tipos de flujos, laminar, transición y turbulento
- A medida que aumenta la velocidad el número de Reynolds también aumentará.
- Se determinó que los números de reynolds para flujos laminares y turbulentos son completamente diferentes, y esto se da debido al caudal utilizado.
- Se demostró el experimento de Osborn Reynolds
BIBLIOGRAFIA
http://www.valvias.com/numero-de-reynolds.php
http://tarwi.lamolina.edu.pe/~dsa/Reynold.htm
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/dinamica/reynolds/reynolds.htm
http://tarwi.lamolina.edu.pe/~dsa/Reynold.htm
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/dinamica/reynolds/reynolds.htm
