UNIVERSIDAD NACIONALPEDRO RUIZ GALLO

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL, SISTEMAS Y ARQUITECTURA

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

CURSOMECÁNICA DE FLUIDOS II

PRÁCTICA DE LABORATORIO N°01EXPERIENCIA DE OSBORNE REYNOLDS

FECHA DE ENTREGA DE TRABAJO13 – 09 – 10

Mecánica de Fluidos II Experiencia de Osborne Reynolds

INTRODUCCIÓN

El comportamiento de los fluidos es importante para los

procesos de Ingeniería. La primera diferenciación de los flujos, fue

experimentada por el profesor Osborne Reynolds, en 1883. El

sistema consistió en un tanque lleno de agua, en el cual se sumergió

un tubo de vidrio. Mediante una válvula dispuesta en dicho tubo, se

puede hacer circular un flujo controlado de esta agua colorada, la que

procede de una vasija dispuesta en la parte superior del estanque.

El profesor Reynolds observó que a bajas velocidades no se

producían mezclas transversales en el flujo, por lo cual este chorro de

agua colorada circulaba intacto a lo largo de todo el tubo. El

comportamiento del chorro, era en líneas paralelas al tubo, por lo que

se dedujo el Flujo laminar.

Por otra parte, al aumentar la velocidad del flujo se alcanzaba

un cierto punto crítico de velocidad, para la cual la línea colorada se

difundía a través de todo el tubo, desapareciendo como tal; este

comportamiento del fluido, indicó que el agua ahora circulaba al azar,

originando corrientes transversales y torbellinos, este movimiento del

fluido se conoce como Flujo Turbulento.

Mecánica de Fluidos II Experiencia de Osborne Reynolds

1.1. OBJETIVOS

1.1 Objetivo general

Observar las características de los regímenes de flujo laminar y

turbulento en un conducto, así como la transición entre ambos,

reproduciendo el experimento de Osborne Reynolds.

1.2 Objetivos específicos

- Determinar cualitativamente el tipo de flujo de un fluido y

compararlo con los respectivos valores teóricos.

- Hallar el número de Reynolds para cada caudal.

2.2. FUNDAMENTO TEÓRICO

Cuando un líquido fluye en un tubo y su velocidad es baja, fluye

en líneas paralelas a lo largo del eje del tubo; a este régimen se le

conoce como flujo laminar. Conforme aumenta la velocidad y se

alcanza la llamada velocidad crítica, el flujo se dispersa hasta que

adquiere un movimiento de torbellino en el que se forman corrientes

cruzadas y remolinos; a este régimen se le conoce como flujo

turbulento (ver la Figura 2.1). El paso de régimen laminar a turbulento

no es inmediato, sino que existe un comportamiento intermedio

indefinido que se conoce como régimen de transición.

Figura 2.1. Regímenes de flujo.

Si se inyecta una corriente muy fina de algún líquido colorido en

una tubería transparente que contiene otro fluido incoloro, se pueden

observar los diversos comportamientos del líquido conforme varía la

velocidad (véase la Figura 2.2).

Ingeniería Civil 3

Mecánica de Fluidos II Experiencia de Osborne Reynolds

Cuando el fluido se encuentra dentro del régimen laminar

(velocidades bajas), el colorante aparece como una línea

perfectamente definida (Figura 2.1), cuando se encuentra dentro de

la zona de transición (velocidades medias), el colorante se va

dispersando a lo largo de la tubería (Figura 2.2) y cuando se

encuentra en el régimen turbulento (velocidades altas) el colorante se

difunde a través de toda la corriente (Figura 2.3).

Las curvas típicas de la distribución de velocidades a través de

tuberías se muestran en la Figura 2.3.

Para el flujo laminar, la curva de velocidad en relación con la

distancia de las paredes es una parábola y la velocidad promedio es

exactamente la mitad de la velocidad máxima. Para el flujo turbulento

la curva de distribución de velocidades es más plana (tipo pistón) y el

mayor cambio de velocidades ocurre en la zona más cercana a la

pared.

Figura 2.2. Comportamiento del líquido a diferentes

velocidades.

Figura 2.3. Distribuciones típicas de velocidad.

Ingeniería Civil 4

Mecánica de Fluidos II Experiencia de Osborne Reynolds

Los diferentes regímenes de flujo y la asignación de valores

numéricos de cada uno fueron reportados por primera vez por

Osborne Reynolds en 1883.

Reynolds observó que el tipo de flujo adquirido por un líquido

que fluye dentro de una tubería depende de la velocidad del líquido,

el diámetro de la tubería y de algunas propiedades físicas del fluido.

Así, el número de Reynolds es un número adimensional que

relaciona las propiedades físicas del fluido, su velocidad y la

geometría del ducto por el que fluye y está dado por:

donde:

Re = Número de Reynolds

D = Diámetro del ducto

v = Velocidad promedio del líquido

= Densidad del líquido

= Viscosidad del líquido

= Viscosidad cinemática del líquido

Generalmente cuando el número de Reynolds se encuentra por

debajo de 2300 se sabe que el flujo es laminar, el intervalo entre

2300 y 4000 se considera como flujo de transición y para valores

mayores de 4000 se considera como flujo turbulento. Este grupo

adimensional es uno de los parámetros más utilizados en los diversos

campos de la Ingeniería Civil en los que se presentan fluidos en

movimiento.

3. METODOLOGÍA

3.1 Visualización de los diferentes regímenes de flujo.

Ingeniería Civil 5

Mecánica de Fluidos II Experiencia de Osborne Reynolds

La primera parte de la práctica consiste en la visualización de

los diferentes regímenes de flujo que experimenta el agua que circula

por el tubo de vidrio del dispositivo experimental FME 06.

Para ello, es necesario establecer una velocidad de circulación

del agua en el experimento, o lo que es lo mismo establecer un

caudal de agua circulante. Se dispone de una válvula cuya mayor o

menor apertura permite controlar el caudal de agua circulante por la

instalación. Debe comenzarse con un caudal lo más bajo posible y se

va aumentando el caudal poco a poco. Para cada uno de los caudales,

cuando el flujo se estabilice, se inyecta el colorante del depósito

pequeño en el depósito grande a través de la boquilla, y se observan

en el tubo de vidrio las formas que se desarrollan.

Ingeniería Civil 6

Mecánica de Fluidos II Experiencia de Osborne Reynolds

Fig. 3.1. Equipo FME 06: Demostración de Osborne

Reynolds.

3.2 Determinación del número de Reynolds

Mediante el termómetro introducido en el depósito lleno de

agua, se determinará la temperatura del agua que circula por la

instalación, y suponiendo que se mantiene constante, se establecerá

la viscosidad cinemática del agua que se empleará a lo largo del

experimento, a partir de los datos de la Tabla I en Anexos.

Para cada caudal de agua circulante por la instalación deberá

determinarse la velocidad del agua en el tubo de vidrio, teniendo en

cuenta que el diámetro del mismo es de 10 mm. A continuación se

obtendrá el número de Reynolds. Del valor obtenido para el número

de Reynolds, podrá indicarse el régimen de flujo que correspondería

Ingeniería Civil 7

Mecánica de Fluidos II Experiencia de Osborne Reynolds

al caudal circulante. Se habrá de verificar que coincide con el régimen

observado en el ensayo, según las propiedades mostradas por el hilo

de colorante.

3.3 Procedimiento experimental

a. Llenar el depósito con colorante. Colocar el aparato sobre el

canal del Banco Hidráulico y conectar su tubería de

alimentación a la impulsión del Banco.

b. Bajar el inyector. Mediante el tornillo, hasta colocarlo a nivel de

la tobera de entrada al tubo de visualización de flujo, cerrar la

válvula de control de flujo.

c. El tubo de salida del rebosadero deberá introducirse en el

aliviadero del Banco. Poner en marcha la bomba y llenar

lentamente el depósito hasta alcanzar el nivel del rebosadero;

después cerrar la válvula de control del Banco hidráulico y la

de la bomba.

d. Abrir y cerrar la válvula de control de flujo, para purgar el tubo

de visualización. Dejar que se remanse completamente el

líquido en el aparato dejando pasar a lo menos diez minutos

antes de proceder al experimento.

e. Medir la temperatura del agua. Poner en marcha la bomba y

abrir cuidadosamente la válvula de control del Banco hasta que

el agua salga por el rebosadero. Abrir parcialmente la válvula

de control y ajustar la válvula de inyección de colorante hasta

conseguir una corriente lenta con colorante.

f. Mientras el flujo del agua sea lento, el colorante traza una

línea en el centro del tubo de visualización. Incrementando el

flujo, abriendo progresivamente la válvula de control, Irán

Ingeniería Civil 8

Mecánica de Fluidos II Experiencia de Osborne Reynolds

apareciendo alteraciones hasta que finalmente el colorante se

dispersa completamente en el agua.

g. Para observar el perfil de la distribución de velocidades el

depósito estará necesariamente abierto permitiendo que el

colorante caiga a gota en el tubo de visualización. Cuando la

válvula de control está abierta, en régimen laminar la gota

adopta un perfil de paraboloide.

4. RESULTADOS EXPERIMENTALES

Diámetro (m)

Área(m^2)

Viscosidad(m^2/s)

0.01 0.0000785 1.033*10^-6

Régimen visualizado

Volumende agua (ml)

Tiempo(s)

Caudal(m^3/s)

Velocidad(m/s)

Número deReynolds

Tipode flujo

Laminar 160 33.8 0.0000047 0.06 583.46 LaminarTransicional 240 14.1 0.0000170 0.22 2097.98 LaminarTransicional 422 12.5 0.0000338 0.43 4161.14 TurbulentoTurbulento 510 9.3 0.0000548 0.70 6759.23 TurbulentoTurbulento 685 8.5 0.0000806 1.03 9933.02 TurbulentoTurbulento 800 7.4 0.0001081 1.38 13325.03 TurbulentoTurbulento 770 6 0.0001283 1.63 15817.92 TurbulentoTurbulento 585 4.2 0.0001393 1.77 17167.87 Turbulento

Ingeniería Civil 9

Mecánica de Fluidos II Experiencia de Osborne Reynolds

0.0000000 0.0000500 0.0001000 0.00015000.00

2000.00

4000.00

6000.00

8000.00

10000.00

12000.00

14000.00

16000.00

18000.00

20000.00

583.462097.98

4161.14

6759.23

9933.02

13325.03

15817.9217167.87

Caudal vs Reynolds

Caudal vs ReynoldsLinear (Caudal vs Reynolds)

Caudal (Q)

Núm

ero

de R

eyno

lds (

Re)

Ingeniería Civil 10

Mecánica de Fluidos II Experiencia de Osborne Reynolds

5. CONCLUSIONES

Una vez analizados los resultados es posible afirmar que son

satisfactorios, puesto que en la mayoría de los casos, el régimen de

flujo obtenido experimentalmente coincide con el esperado. Incluso

en un par de ocasiones fue posible obtener valores cercanos a la

frontera. Cabe recordar que durante la experimentación se fijó un

flujo al azar, que debía estar dentro del régimen deseado.

Los resultados obtenidos coinciden con las observaciones

realizadas durante la práctica, donde una delgada línea de

permanganato de potasio en el tubo denotaba un flujo laminar,

mientras que vórtices de permanganato de potasio indicaban un

régimen turbulento.

Como era de esperarse, al aumentar la velocidad de flujo se

pasa de un régimen laminar a uno turbulento, y como consecuencia

aumenta el número de Reynolds y se observa la formación de

vórtices.

La comprensión de los efectos de flujo en el régimen de flujo es

sumamente importante. El número de Reynolds es quizás el número

adimensional más utilizado en cálculos de ingeniería y su

comprensión adecuada resulta fundamental.

Los objetivos fueron satisfechos, pues no solo se obtuvieron

resultados adecuados, sino que se comprendió adecuadamente la

relación de la velocidad con el régimen de flujo y los efectos en el

número de Reynolds.

Finalmente, cabe resaltar que la variación en la visualización del

flujo durante la práctica y los valores teóricos correspondientes, son

Ingeniería Civil

Mecánica de Fluidos II Experiencia de Osborne Reynolds

debido a los errores experimentales presentes en todo ensayo del

laboratorio.

BIBLIOGRAFÍA Y LINKOGRAFÍA

Universidad Tecnológica Metropolitana. Facultad de Ingeniería.

Departamento de Mecánica. Guías de Laboratorio, Mecánica de

Fluidos. Santiago, Marzo 2008.

Universidad de Oviedo. Departamento de Energía. Área de

Mecánica de Fluidos. Prácticas de Mecánica de Fluidos. España,

2005.

Universidad Iberoamericana. Laboratorio de Operaciones

Unitarias. Número de Reynolds. México, Marzo 2008.

Universidad Rafael Landivar. Facultad de Ingeniería. Laboratorio

de Mecánica de Fluidos. Demostración del experimento de

Osborne Reynolds. Guatemala, Enero 2003.

Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Escuela de

Civil. Departamento de Hidráulica y Sanitaria. Guía de

Laboratorio, Mecánica de Fluidos I. Mérida, Venezuela. Enero

2009.

EDIBON. Laboratorio Integrado de Mecánica de Fluidos Básica.

Edibon International.

Ingeniería Civil

Mecánica de Fluidos II Experiencia de Osborne Reynolds

ANEXOS

Tabla I. Valores de la viscosidad cinemática del agua.

TEMPERATURA : T°C

VISCOSIDAD CINEMATICA:(m²/s)

0 1,792 x 10-6

2 1,763 x 10-6

4 1,567 x 10-6

5 1,520 x 10-6

6 1,473 x 10-6

8 1, 863 x 10-6

10 1, 308 x 10-6

12 1, 237 x 10-6

14 1, 172 x 10-6

15 1, 142 x 10-6

16 1, 112 x 10-6

18 1,059 x 10-6

20 1,007 x 10-6

22 0,960 x 10-6

24 0,917 x 10-6

25 0,897 x 10-6

26 0,876 x 10-6

28 0,839 x 10-6

30 0,804 x 10-6

Ingeniería Civil

Mecánica de Fluidos II Experiencia de Osborne Reynolds

32 0,772 x 10-6

34 0,741 x 10-6

35 0,727 x 10-6

36 0,713 x 10-6

38 0,687 x 10-6

40 0,661 x 10-6

50 0,556 x 10-6

60 0,478 x 10-6

65 0,442 x 10-6

70 0,416 x 10-6

80 0,367 x 10-6

90 0,328 x 10-6

100 0,296 x 10-6

Ingeniería Civil