FENOMENOS DE TRANSPORTE FIQ-UNAP

FENOMENOS DE TRANSPORTE FIQ-UNAP

PRACTICA DE LABORATORIO N 03DETERMINACION DEL TIPO DE FLUJOI. OBJETIVO Determinar experimentalmente el tipo de flujo. Relacionar la viscosidad y las propiedades fsicas de un fluido, y la geometra del ducto por el que fluye con los diversos patrones de flujo.II. FUNDAMENTO TERICOEl objetivo de esta prctica es la de familiarizar al estudiante con el denominado nmero de Reynolds, y la importancia que tiene a la hora de definir si un determinado fluido esta en rgimen laminar, turbulento, o en transicin entre ambos regmenes.Cuando un lquido fluye en un tubo y su velocidad es baja fluye en lneas paralelas a lo largo del eje del tubo; a este rgimen se le conoce como Flujo Laminar conforme aumenta la velocidad y se alcanza la llamada Velocidad Critica el flujo se dispersa hasta que adquiere un movimiento de torbellino en el que se forman corrientes cruzadas y remolinos; a este rgimen se le conoce como Flujo Turbulento.El paso de rgimen laminar a turbulento no es inmediato si no que existe un comportamiento intermedio indefinido que se conoce como Rgimen de Transicin.

Si se inyecta una corriente muy fina de algn lquido colorido en alguna tubera transparente que contiene otro fluido incoloro, se pueden observar los diversos comportamientos del lquido conforme vara la velocidad. Cuando el fluido se encuentra dentro del rgimen laminar, el colorante aparece como una lnea perfectamente definida, cuando se encuentra dentro de la zona de transicin el colorante se va dispersando a lo largo de la tubera y cuando se encuentran en rgimen turbulento el colorante se difunde atreves de toda la corriente.

Las curvas tpicas de distribucin de velocidades atreves de tuberas que se muestran en la figura.

Para el flujo laminar, la curva de velocidad en relacin con la distancia de las paredes es una parbola y la velocidad promedio es exactamente la mitad de la velocidad mxima. Para el flujo turbulento la curva de distribucin de velocidades es ms plana (tipo pistn) y el mayor cambio de velocidades ocurre en la zona ms cercana a la pared.Ahora definimos los flujos:

1.1. FLUJO LAMINAR:

Flujo laminar de un fluido perfecto en torno al perfil de un objeto.

Distribucin de velocidades en un tubo con flujo laminar.Es uno de los dos tipos principales de flujo en fluido. Se llama flujo laminar o corriente laminar, al movimiento de un fluido cuando ste es ordenado, estratificado, suave. En un flujo laminar el fluido se mueve en lminas paralelas sin entremezclarse y cada partcula de fluido sigue una trayectoria suave, llamada lnea de corriente. En flujos laminares el mecanismo de transporte lateral es exclusivamente molecular.

El flujo laminar es tpico de fluidos a velocidades bajas o viscosidades altas, mientras fluidos de viscosidad baja, velocidad alta o grandes caudales suelen ser turbulentos. El nmero de Reynolds es un parmetro adimensional importante en las ecuaciones que describen en qu condiciones el flujo ser laminar o turbulento. En el caso de fluido que se mueve en un tubo de seccin circular, el flujo persistente ser laminar por debajo de un nmero de Reynolds crtico de aproximadamente 2040. Para nmeros de Reynolds ms altos el flujo turbulento puede sostenerse de forma indefinida. Sin embargo, el nmero de Reynolds que delimita flujo turbulento y laminar depende de la geometra del sistema y adems la transicin de flujo laminar a turbulento es en general sensible a ruido e imperfecciones en el sistema.

El perfil laminar de velocidades en una tubera tiene forma de una parbola, donde la velocidad mxima se encuentra en el eje del tubo y la velocidad es igual a cero en la pared del tubo. En este caso, la prdida de energa es proporcional a la velocidad media, mucho menor que en el caso de flujo turbulento.

1.2. FLUJO TURBULENTO:

Distribucin de velocidades al interior de un tubo con flujo turbulento.En mecnica de fluidos, se llama flujo turbulento o corriente turbulenta al movimiento de un fluido que se da en forma catica, en que las partculas se mueven desordenadamente y las trayectorias de las partculas se encuentran formando pequeos remolinos aperidicos, como por ejemplo el agua en un canal de gran pendiente. Debido a esto, la trayectoria de una partcula se puede predecir hasta una cierta escala, a partir de la cual la trayectoria de la misma es impredecible, ms precisamente catica.

Las primeras explicaciones cientficas de la formacin del flujo turbulento proceden de AndriKolmogrov y Lev D. Landau (teora de Hopf-Landau). Aunque la teora modernamente aceptada de la turbulencia fue propuesta en 1974 por David Ruelle y FlorisTakens.Teora:Los diferentes regmenes de flujo y asignacin de valores numricos de cada uno fueron reportados por primera vez por Osborne Reynolds en 1983. Reynolds observo que el tipo de flujo adquirido por un lquido que fluye dentro de una tubera depende de la velocidad del lquido, el dimetro de la tubera y algunas propiedades fsicas del fluido. As el nmero de Reynolds es nmero a dimensional que relaciona las propiedades fsicas del fluido, su velocidad y la geometra del ducto por el que fluye y est dado por:

Re = . (1)

Dnde:Re= Nmero de ReynoldsD=Dimetro del ducto (m)V=Velocidad promedio del lquido (m/s)P=densidad del lquido (kg/m3)U=Viscosidad del lquido (kg/ms)

Podremos observar que los resultados experimentales se ajustan notablemente a las predicciones el flujo laminar para valores bajos del nmero de Reynolds (Re) hasta aproximadamente 3000, y se ajustan a las predicciones del flujo turbulento para valores de (Re) mayores que 4400 aproximadamente. Mientras que los valores intermedios de (Re) cubren una amplia regin en la que se produce la transicin de flujo y ninguna de las dos teoras reproduce satisfactoria mente los resultados experimentalesCuando el ducto es una tubera. D es el dimetro interno de la tubera. Cuando no se trata de un ducto circular, se emplea el dimetro equivalente (Definido como):

De= 4 . (2)

Generalmente cuando el nmero de Reynolds se encuentra por debajo de 2100 se sabe que el flujo laminar, el intervalo entre 2100y 4000 se considera cojo flujo de transicin y para valores mayores que 4000 se considera como flujo turbulento. Este grupo a dimensional es uno de los parmetros ms utilizados en los diversos campos de la ingeniera qumica en las que se presentan fluidos en movimiento.

III. MATERIALES Y REACTIVOS

Cuba de Reynolds. Probetas, Jeringa, pipetas, goteros, probetas. Agua, permanganato de potasio (0.1N).IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTOExperimento N1:IDENTIFICAION DE PERFIL DE VELOCIDAD:1. Llenar la cuba de Reynolds, con agua, manteniendo constante el flujo de llenado.

2. Colocar los niveles en ambos lados de la cuba para que el sistema se encuentre en equilibrio.

3. Colocar en la parte superior de la cuba de Reynolds gotas de permanganato de potasio y proceder a observar e identificar. Las lneas de corriente que se forman, el perfil de velocidad, la velocidad media y la velocidad mxima.

Experimento N2:DETERMINACION DEL NMERO DE REYNOLDS:4. Medir el ancho de la cuba.

5. Medir la altura del fluido dentro de la cuba.

6. Colocar en la parte superior de la cuba de Reynolds gotas de permanganato de potasio y proceder a medir la distancia que recorre la primera lnea de corriente. Simultneamente controlar el tiempo que demora en pasar por esa distancia la primera lnea de corriente.

7. Repetir varias veces el punto 3 hasta lograr dominio en este procedimiento, para poder obtener datos reales.

V. CALCULOS Y RESULTADOS1. Calculo del caudal del sistema.Datos tomados.

numerorgimen visualizadovolumen de la probetaTiempo (seg.)

1laminar2503

Temperatura = 12C

Q= =83.333m3/s

2. Densidad del agua

3. Viscosidad del agua

TEMPERATURA = 12C = 0.0013384 kg/m*s = 0.999834 kg/m3

4. Calculo del dimetro equivalente del sistema en estudio.

AREA TRANVERSAL DEL FLUJO:ANCHO=9.8 cmPELICULA=4.8H=7 cmd= 9.8cmATr= 2(49.3x9.8) + (49.3x79 + (9.8x7)ATr= 1.841m2

Permetro mojado:2(69.5)+2(49.3)=2.376De=De= 36.1739 m5. Calculo de la velocidad de flujo.v=T=58.67promv=v=0.01367m/seg.

6. Calculo del nmero de Reynolds del sistema en estudio.

Dnde:Re = Nmero de ReynoldsD = Dimetro del Ductov = Velocidad promedio del = Densidad del lquido = Viscosidad del lquido

Datos: = 0.0013384 kg/m*s = 0.999834 kg/m3V = 0.01367 m/sDe = 36.1739 m.

Reemplazamos:

Re = 369.4076 2100

VI. CONCLUCIONES Y DISCUCIONESCon esta prctica se pudo ver como los fluidos se relacionan con la velocidad y tiempo fsicamente. Los resultados de esta prctica no son tan exactos debido a que falto ms inters en esta prctica; as mismo se pudo ver gotas deformadas en el fluido debido a las corrientes del agua y su velocidad.Si bien la operacin n unitaria estudiada no es particularmente atractiva, la comprensin de los efectos de flujo en el rgimen de flujo es sumamente importante. El nmero de Reynolds es el nmero adimensional ms utilizado en clculos de ingeniera y su comprensin adecuada resulta fundamental.

Los objetivos fueron satisfechos, pues no solo se obtuvieron resultados adecuados, sino que se comprendi adecuadamente la relacin de la velocidad con el rgimen de flujo y los efectos en el nmero de Reynolds.

VII. CUESTIONARIOQu son las lneas de corriente?Se denominalnea de corrienteal lugar geomtrico de lospuntostangentesalvector velocidadde laspartculasdefluidoen un instantedeterminado. En particular, la lnea de corriente que se encuentra en contacto con elagua, se denominalnea deagua.

Qu es perfil de velocidad de un sistema en estudio?Es la velocidad de un fluido ejercido con un esfuerzo cortante a travs de la longitud que recorrer de acuerdo a su viscosidad del fluido.Existen 2 tipos de flujos de acuerdo a su velocidad (directamente proporcional al nmero de Reynolds) que son Laminar y Turbulento... pero independientemente de estos dos tipos, los perfiles de velocidades dependen del sistema, me explico:

Si el fluido pasa a travs de una tubera, es decir, a presin, el perfil de velocidades ser una parbola completa (ya que la velocidad del fluido en las paredes tiende a cero):(Pared de Tubera)->---->-------->-------->----->->(Pared de Tubera)

Si por el contrario, el fluido pasa a travs de un canal (superficie libre) el perfil se asume como una media parbola (aunque hay textos que la asumen como un trapecio o tringulo), me explico,

(Superficie Libre)----------->--------->----->--->->

Qu factores determinan el valor del nmero de Reynolds? Densidad del fluido (). Velocidad caracterstica del fluido (). Dimetro de la tubera a travs de la cual circula el fluido o longitud caracterstica del sistema (). Viscosidad dinmica del fluido (). Viscosidad cinemtica del fluido ().

Tambien la naturaleza de determinado flujo incompresible se puede caracterizar mediante su nmero de Reynolds. Para valores grandes de R, uno o todos los factores en el numerador resultan grandes, comparados con el denominador. Esto implica una gran expansin en el conducto del fluido, una velocidad alta, una gran densidad, una viscosidad extremadamente pequea o combinaciones de estos extremos. Los trminos en el numerador se relacionan con las fuerzas de inercia, es decir, las fuerzas debidas a la aceleracin o desaceleracin del fluido. El termino en el denominador es la causa de las fuerzas cortantes viscosas. De esta manera, tambin se puede considerar el nmero de Reynolds como el cociente entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas. Un nmero de Reynolds grande indica que el flujo es altamente turbulento con las prdidas proporcionales al cuadrado de la velocidad. La turbulencia puede ser de escala pequea caracterizada por remolinos muy pequeos, los cuales convierten rpidamente la energa mecnica en irreversibilidades a travs de la accin viscosa; o puede ser de escala grande, como en el caso de lo remolinos mas o menos definidos que se forman en los ros o en la zona de la atmsfera en inmediato contacto con la superficie terrestre. Los grandes remolinos generan remolinos mas pequeos, los cuales a su ves dan lugar a la turbulencia de escala pequea. Se puede imaginar al flujo turbulento como un flujo regular, posiblemente uniforme, en el cual se tuviera sobreimpuesto un flujo secundario. En la turbulencia de escala pequea se tienen fluctuaciones de velocidad que se caracterizan por una frecuencia alta; la raz media cuadrada de estas fluctuaciones y la frecuencia de cambio de su signo son medidas cuantitativas de la turbulencia. En general, la intensidad de la turbulencia aumenta conforme lo hace el nmero de Reynolds.Para valores intermedios de R, tanto los efectos viscosos como los inerciales son de importancia y los cambios en la viscosidad afectan a la distribucin de las velocidades y a la resistencia al flujo.Dos conductos cerrados geomtricamente semejantes con el mismo nmero de Reynolds (por ejemplo uno con el doble del tamao del otro), tienen la misma relacin entre prdidas y carga de velocidad; de esta manera, se concluye que mediante el nmero de Reynolds se pueden predecir los resultados en determinado escurrimento en un fluido, utilizando los resultados experimentales de un caso semejante con un fluido diferente.Qu relacin tiene el nmero de Reynolds con el movimiento de un lquido?Las circunstancias que determinan si el movimiento de tropas ser una marcha o una confusin se parecen mucho a aquellas que determinan si el movimiento ser directo o sinuoso. En ambos casos existe cierta influencia necesaria para el orden: con las tropas es la disciplina; con el agua, su viscosidad o aglutinacin. Cuanto mejor sea la disciplina de las tropas, o bien ms glutinoso sea el fluido, menos probable es que el movimiento regular se altere en alguna ocasin. Por otro lado; velocidad y tamao son en ambos casos favorables a la inestabilidad: tanto ms grande es la armada y ms rpidas sus evoluciones tanto mayor es la oportunidad de desorden; as como el fluido, cuanto ms ancho sea el canal y ms rpida la velocidad tanto mayor es la probabilidad de remolinos.Con esto Reynolds concluye que la condicin natural de un fluido no es el orden sino el desorden.En una longitud dada de tubera horizontal de dimetro constante por la cual circula un fluido bajo presin, la prdida de energa se da como la diferencia de cabeza de presin entre los dos puntos de inters.Prdidas de energa (hf) = h1 - h2Donde la cabeza de presin en un punto se da como la presin en ese punto sobre el peso especfico () del fluido.Cul es la importancia del conocimiento del nmero de Reynolds?El nmero de Reynolds ayuda a determina el movimiento de un fluido. Determina si el aire o el fluido es "laminar (en capas delgadas) o turbulento (pesado)"Tambin la importancia radica en que nos habla del rgimen con Que uye un uido, lo que es fundamental para el estudio del mismo fluido. Si bien la operacin unitaria estudiada no resulta particularmente atractiva, el estudio del nmero de Reynolds y con ello la forma en que uye un uido son sumamente importantes tanto a nivel experimental, como a nivel industrial. A lo largo de esta prctica se estudia el nmero de Reynolds as como los efectos de la velocidad en el rgimen de ujo.

VIII. RECOMENDACIONES

Es recomendable que tengamos los materiales limpios y secos para as tener menos errores en la prctica. Tambin es recomendable no jugar en el momento de la prctica para as no sufrir un accidente debemos trabajar con mucho cuidado y responsabilidad equipar ms materiales para as poder trabajar todos etc.

IX. BIBLIOGRAFIA http://fjartnmusic.com/Personal/6o_Semestre_files/Re.pdf http://www.ehowenespanol.com/explicacion-numero-reynolds-hechos_50085/ http://www.fi.uba.ar/archivos/institutos_numeros_adimensionales.pdf http://www.youtube.com/watch?v=xFCXGXOHO_s http://es.wikipedia.org/wiki/Flujo_laminar http://ocw.uv.es/ciencias/3-2/tema_4_fen_trans.pdf

X. ANEXOS

UNA-PUNOPgina 10