Nota: La presente gua de laboratorio fue elaborada por Arturo Arosemena.

MECANICA DE FLUIDOS I

Laboratorio 11

Clculo del nmero de Reynolds y observacin del rgimen laminar,

de transicin, y turbulento en un flujo: experimento de Osborne

Reynolds

Objetivo.

1. Determinar visualmente las caractersticas de un rgimen laminar, de transicin, y turbulento.

2. Calcular el nmero de Reynolds y relacionar su valor al rgimen que se est visualizando. 3. Observar el perfil de velocidad tpico dentro de una tubera.

Descripcin del equipo.

El equipo FME06 de EDIBON es empleado para realizar el experimento de Osborne

Reynolds y as visualizar el rgimen en que se encuentra el fluido de acuerdo al comportamiento

de las lneas de corriente. El modulo en s consiste de un depsito cilndrico, con una capacidad de

10 L, dotado de una tobera la cul esta acoplada a un tubo de cristal o de metacrilato, cuyo dimetro

interior es de 10 mm y que tiene una longitud de 700 mm, el cual permite la visualizacin del

fluido. Un rebosadero garantiza la homogeneidad del caudal y una aguja acoplada a un depsito,

de 0.3 L, suministra el colorante (fluorescena). El agua de alimentacin es proporcionada por el

banco hidrulico FME00/B a travs de una tubera flexible. El control del rgimen del flujo se

logra a travs de la vlvula de membrana dispuesta prcticamente al final del tubo de visualizacin.

En la figura 1 puede observar el equipo y sus diferentes componentes.

Figura 1. Mdulo FME06 para la visualizacin del rgimen laminar, de transicin, y turbulento.

Nota: La presente gua de laboratorio fue elaborada por Arturo Arosemena.

Marco terico.

De acuerdo al comportamiento que se aprecie en las lneas de corriente, los flujos se

pueden clasificar en: laminar (lneas de corrientes suaves y movimiento sumamente ordenado),

transitorio (repentinas fluctuaciones en el movimiento ordenado) o turbulento (movimiento

prcticamente aleatorio, completamente desordenado).

El rgimen del flujo depende de la geometra, la rugosidad de la superficie, la velocidad del flujo,

la temperatura y el tipo de fluido; y un parmetro adimensional que relaciona estas variables es el

nmero de Reynolds:

Re =

=

(1)

Dnde: es la densidad, es la velocidad promedio en la tubera, es la longitud crtica y la viscosidad dinmica. Aqu se debe recordar que en el caso de flujo en tuberas circulares, la longitud crtica ser igual al dimetro de la tubera.

Para la mayora de las condiciones prcticas se tendr la siguiente convencin:

< 2300 . 2300 < < 4000 .

> 4000 .

Materiales.

1. Banco hidrulico, FME00/B de EDIBON. 2. Modulo para la demostracin del experimento de Osborne Reynolds, FME06 de EDIBON. 3. Cmara fotogrfica o telfono celular con cmara fotogrfica. 4. Regla o cinta mtrica. 5. Termmetro. 6. Recipiente plstico cilndrico.

Procedimiento.

1. Llene el depsito de tinta hasta que se alcance una elevacin de aproximadamente 2.5 cm de colorante.

2. Coloque el mdulo FME06 de EDIBON sobre el banco hidrulico FME00/B. Asegrese de que el equipo este nivelado.

3. Conecte el tubo flexible a la lnea de suministro del banco hidrulico FME00/B. Coloque el desage de la tubera de descarga del rebosadero dentro del tanque del banco hidrulico.

De igual forma coloque el desage de la descarga del agua con colorante, que ha pasado

por el tubo de visualizacin, dentro del recipiente de medida suministrado por el instructor.

4. Baje el inyector de tinta, por medio del tornillo de sujecin, hasta colocarlo encima de la tobera de admisin de agua.

5. Asegrese de que la vlvula de control de flujo volumtrico del mdulo FME06 est cerrada.

Nota: La presente gua de laboratorio fue elaborada por Arturo Arosemena.

6. Ponga en marcha la bomba y regule la vlvula de control del banco hidrulico FME00/B, de forma tal, que se llene lentamente el depsito de agua de 10 L hasta alcanzar el nivel

del rebosadero. Llegado a este punto, cierre completamente la vlvula de control del banco

hidrulico FME00/B y apague la bomba.

7. Abra y cierre varias veces la vlvula de control de flujo del mdulo FME06 para purgar el tubo de visualizacin. Una vez purgado el tubo, cierre la vlvula de control de flujo

volumtrico del mdulo FME06 y vaci el recipiente de medida suministrado por el

instructor.

8. Espere a que remanse completamente el agua en el equipo FME06 (al menos durante 10 minutos).

9. Ponga en marcha la bomba y abra lentamente la vlvula de control del banco hidrulico FME00/B hasta que el agua comience a salir por el rebosadero.

10. Abra lenta y parcialmente la vlvula de control del equipo FME06 hasta que se alcancen condiciones estacionarias en el depsito de 10 L (el nivel de agua en dicho depsito debe

sobrepasar la tobera).

11. Abra parcialmente la vlvula reguladora de colorante hasta que se consiga una corriente lenta con el colorante. El colorante ha de salir muy lentamente, arrastrado por la

corriente de agua. Tome una fotografa del tubo de visualizacin.

12. En un instante dado (para la apertura actual de la vlvula de control del FME06), tome como referencia la superficie del agua en el recipiente de medida suministrado por el

instructor, espere 30 segundos y mida el cambio de elevacin observado en el recipiente.

Registre en la tabla 1. En caso de encontrarse prcticamente lleno el recipiente de medida,

suministrado por el instructor, vacelo en alguna de las tinas del laboratorio. Asegrese

tambin de que el nivel de agua dentro del tanque del banco hidrulico FME00/B sea el

apropiado. Consulte al instructor. De ser necesario llene el tanque del banco hidrulico

FME00/B.

13. Repita los pasos 10, 11, y 12 para otras 9 aperturas diferentes de la vlvula del control del equipo FME06. Al menos durante la ltima apertura de dicha vlvula de control, se debe

observar que el colorante se disperse completamente en el agua. Para compensar el bajn

de nivel dentro del depsito de 10 L, producto de la apertura de la vlvula de control de

FME06, abra progresivamente la vlvula de control del banco hidrulico FME00/B.

14. Una vez finalizado lo anterior, cierre la vlvula de control tanto del FME06 como del banco hidrulico FME00/B. Tambin cierre la vlvula reguladora de colorante y vaci el

recipiente de medida suministrado por el instructor. Apague la bomba. Asegrese tambin

de que el nivel de agua dentro del tanque del banco hidrulico FME00/B sea el apropiado.

Consulte al instructor. De ser necesario llene el tanque del banco hidrulico FME00/B.

15. Repita los pasos 8 y 9. 16. Asegrese que el depsito de tinta an se encuentre suficientemente lleno. Consulte al

instructor.

17. Con la vlvula de control del FME06 an cerrada, abra la vlvula reguladora de colorante hasta que el dimetro interior de la tobera se encuentre completamente cubierto de tinta.

18. Abra rpidamente la vlvula de control del FME06 y observe como se genera el perfil de velocidades dentro del tubo de visualizacin. Tome una fotografa.

19. Repita los pasos del 14 al 18 para al menos dos aperturas distintas de las vlvula de control del equipo FME06.

Nota: La presente gua de laboratorio fue elaborada por Arturo Arosemena.

20. S cuenta con un termmetro mida la temperatura del agua. De lo contrario suponga alguna temperatura.

21. Tras finalizar la experiencia vaci el recipiente de medida suministrado por el instructor. 22. Mida el dimetro del recipiente de medida suministrado por el instructor.

Nota: En caso de tener alguna duda acrquese al instructor de laboratorio.

Resultados.

1. A partir de los datos obtenidos, para cada cambio de elevacin en el recipiente de medida, determine: el caudal de agua dentro del tubo de visualizacin, la velocidad del agua dentro

del tubo de visualizacin, y el nmero de Reynolds respectivo. Registre en la tabla 1.

2. Observe el comportamiento del flujo a determinados nmeros de Reynolds. Para esto ltimo asocie las fotografas tomadas al flujo a su correspondiente nmero de Reynolds.

3. Grafique el caudal (, m3/s) vs. el nmero de Reynolds (). 4. Compare las tres fotografas tomadas del perfil de velocidad dentro del tubo de

visualizacin.

Nmero de

medicin

Cambio de

elevacin en

el recipiente

de medida

(m)

Flujo

volumetrico

dentro del

tubo de

visualizacin

(m3/s)

Velocidad del agua

dentro del tubo de

visualizacin (m/s)

Nmero de

Reynolds

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Tabla 1. Cambio de elevacin dentro del recipiente de medida, flujo volumtrico dentro del tubo

de visualizacin, velocidad del agua dentro del tubo de visualizacin, y nmero de Reynolds

correspondiente al flujo, ante diferentes aperturas de la vlvula de control del FME06.

Preguntas.

1. De acuerdo a las fotografas tomadas y a los correspondientes nmeros de Reynolds calculados, hasta qu nmero de Reynolds se observa flujo laminar?, en qu rango de

nmeros de Reynolds observo flujo de transicin?, a partir de qu nmero de Reynolds

observo flujo turbulento?, son consistentes sus resultados con la clasificacin de flujo

Nota: La presente gua de laboratorio fue elaborada por Arturo Arosemena.

(laminar, transitorio, y turbulento) convencional mostrada en el marco terico?, de no ser

consistentes, a qu cree que se deba este hecho?.

2. Cmo varia el nmero de Reynolds con el aumento de caudal?. 3. Qu formas tienen los perfiles de velocidad observados en el tubo de visualizacin?, a

qu se debe est forma en el perfil de velocidad?.

4. De acuerdo a las tres fotografas tomadas de los perfiles de velocidad en el tubo de visualizacin, qu observa que sucede con el perfil al ir aumentando la apertura de la

vlvula de control del FME06?, a qu cree que se debe este hecho?.

Referencia.

1. engel, Y., Cimbala, J., 2012, MECANICA DE FLUIDOS: Fundamentos y Aplicaciones, McGraw-Hill.

2. Manual del equipo FME06 de EDIBON para realizar el experimento de Osborne Reynolds.