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8/18/2019 Practica6FormasVisualizaciónFlujo

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6FORMAS DE VISUALIZACIÓN DEL FLUJO

6 FORMAS DE VISUALIZACIÓN DEL FLUJO

6.1 PRELIMINARES

Para el día de la defensa basta con estudiar únicamente el material dictado en clase el

día de la práctica.

6.2 OBJETIVOS

Visualizar las líneas de traza en un flujo uniforme y estacionario

Visualizar las líneas de traza a través de distintos tipos de perfiles en 2D.

Identificar los puntos de mayor velocidad y mayor presión en las líneas de traza

obtenidas para cada perfil.

Identificar la condición de no deslizamiento al trabajar en el equipo de

visualización de flujo por burbujas de hidrógeno con un perfil aerodinámico en

3D.

6.3 MARCO TEÓRICO (DEFINICIONES)

6.3.1 Experimento de Hele-Shaw

Para visualizar el movimiento del fluido e ilustrar las líneas de corriente en un flujo

estacionario se utiliza la analogía de Hele Shaw que es una herramienta muy útil para

demostrar el flujo potencial en la dinámica de los fluidos. Este aparato puede emplearse

para simular cualquier proceso que satisfaga la ecuación de Laplace en dos

dimensiones.

El experimento de Hele-Shaw permite una completa solución gráfica de forma

experimental de un problema que pudiera ser matemáticamente muy complejo.

El mayor descubrimiento de Hele-Shaw fue que si las placas de vidrio están colocadas

suficientemente cerca una de la otra, entonces el flujo es laminar en todas las

velocidades.

6.3.2 Condición de no deslizamiento

Un fluido en contacto directo con un sólido se pega a la superficie debido a los efectos

viscosos y no hay deslizamiento. La condición de no deslizamiento es la responsable dela formación del perfil de velocidades.


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La región del fluido adyacente a la pared, en la cual los efectos viscosos son

significativos se denomina capa límite.

6.3.3 EFECTOS BIDIMENSIONALES

6.3.3.1 Capa límite en placa plana

En la capa límite, se da una distribución de velocidades debido a los efectos de

rozamiento entre el fluido y el cuerpo sumergido. Estos perfiles de velocidad se pueden

observar mediante un visualizador de burbujas de hidrógeno.

Ilustración 6. 1 Capa límite en placa plana

6.3.3.2 Óvalo de Rankine

El óvalo de Rankine es una figura elíptica formada por las líneas de corriente en una

configuración de flujo particular. Se combina un flujo horizontal con un sumidero y una

fuente de fuerzas iguales . Este efecto se lo puede observar en la mesa de flujobidimensional como se ve en la siguiente figura.

Ilustración 6. 2 Óvalo de Rankine


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6.3.3.3 Upwash y downwash de un perfil aerodinámico

El objetivo de los perfiles aerodinámicos es el de generar la mayor cantidad de

sustentación con el menor arrastre posible. Para esto, los perfiles siguen una geometría

que permita generar una alta velocidad y baja presión en la superficie superior y menorvelocidad con alta presión en la superficie inferior. Este desbalance de presiones es el

que genera la sustentación. La geometría del perfil hace que el flujo de aire sea

direccionado hacia arriba en el borde de ataque. Debido al principio de conservación de

momento, en el borde de salida, el flujo es re direccionado hacia abajo, generándose

así el downwash.

Ilustración 6. 3 Upwash y downwash de un perfil aerodinámico

6.3.3.4 Doblete

Un doblete (doublet) es un tipo de flujo que consta de un sumidero y una fuente de

misma intensidad ubicados muy cercanos entre sí. El efecto de combinar este flujo con

el flujo horizontal da el campo de velocidades alrededor de un cilindro.

Ilustración 6. 4 Doblete


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6.4 MATERIALES Y EQUIPOS

6.4.1 Esquema de la Mesa de flujo bidimensional

Ilustración 6. 5 Fotografía del equipo


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6.4.2 Visualizador de burbujas de hidrógeno

Ilustración 6. 6 Visualizador de burbujas de hidrógeno


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6.5 UTILIZACIÓN DE LA MESA DE FLUJO BIDIMENSIONAL

1. Encender la bomba del laboratorio y permitir el paso del fluido con la válvula de

estrangulación que se encuentra en el tubo (color verde) de alimentación del equipo.

2. Elevar el borde frontal de la placa superior, hasta que pueda fijarse e posiciónmediante los brazos soportes.

3. Limpiar completamente las caras de las dos placas de trabajo.

4. Llenar los tanques de entrada y de salida, asegurándose que el flujo es el requerido.

5. En caso de que cualquiera de los orificios de la placa inferior vaya a ser usado como

fuente, dar paro al flujo hasta notar una pequeña perturbación en el nivel del líquido

que fluye sobre la placa inferior. La operación anterior permitirá cebar el tubo,

removiendo a su vez las burbujas de aire.

6. Colocar una placa de acrílico para ser estudiada. La placa debe ser plana y lisa.Se utilizará el disco y las placas anaranjadas para formar una tobera.

7. Bajar la placa superior asegurándose que no queden burbujas de aire bajo el vidrio.

8. Subir o bajar el aliviadero hasta que el nivel del líquido quede aproximadamente a

1/8 de pulgada bajo la cara superior de la placa superior.

9. Fijar el flujo a través de los orificios en el valor requerido.

10. Llenar el recipiente superior con colorante diluido.

11. Permitir el flujo del colorante controlando el caudal del mismo para obtener un flujo

laminar.

12. Medir la velocidad promedio total del flujo e identificar las zonas de mayor velocidad.

13. Tomar fotografías de las líneas de corriente alrededor del cuerpo.

14. Repetir desde el paso 5 con las diferentes placas de acrílico y perfiles.

15. Llenar el recipiente superior con agua hasta haber quitado todo el colorante del

sistema.

16. Cerrar la válvula de paso del fluido y apagar la bomba del sistema.

17. Limpiar y secar la mesa de vidrio.

6.6 UTILIZACIÓN DEL VISUALIZADOR DE BURBUJAS DE HIDRÓGENO

1. Conectar los cables de la bomba a la parte posterior de la consola, donde dice

PUMP (36), respetando la polaridad.

2. Conectar los cables de la luz (13) a cualquiera de los puertos LIGHT (38) detrás de

la consola, respetando la polaridad.

3. Llenar gradualmente el tanque (7) con agua limpia y fría hasta que el agua estéligeramente por encima del pequeño dique (8).


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4. Limpiar el alambre de platino (13) con solvente y mucho cuidado, instalar el porta

electrodo (14) en el bloque aislante (3) que se encuentra en el trípode (4).

5. Colocar el porta electrodos con las pinzas apuntando aguas abajo, de tal manera

que el alambre de platino se encuentre por debajo del nivel del agua y paralelo a

este.

6. Conectar la pinza del puerto negro al metal del trípode, y el otro extremo al puerto

negro PROBE (37). Conectar la pinza del puerto rojo al soporte del dique (6) y

conectarlo al puerto rojo PROBE (37).

7. Conectar los cables de poder a la corriente, verificar que el breaker RCD (35) esté

encendido. Aplastar el botón TEST para asegurar que se apague el RCD. Si no se

apaga, se debe consultar un electricista. Encender de nuevo el RCD.

8. Encender la consola (30). Un indicador ON debe prenderse y la consola realizará

un auto testeo.

9. Encender las luces girando el switch LIGHT (21) en el sentido de las manecillas del

reloj, verificar que se hayan encendido las luces.

10. Aumentar al máximo la velocidad de la bomba girando en sentido de las manecillas

del reloj el control PUMP (20) para purgar el sistema. Regular a la velocidad

deseada.

11. Aumentar la corriente a 20 mA girando en sentido del reloj el control CURRENT

(19). La corriente modifica la intensidad de las burbujas. Al variar los controles

PULSE (17) y SPACE (18), se cambia los patrones de emisión de burbujas.

12. Para el electrodo de 35 mm de largo, usar 20 mA; 50 mm de largo, 25 mA; 75 m de

largo, 40 mA.

13. Aplastar STOP (22) para apagar la bomba y el generador de burbujas. Girar el

control LIGHT para apagar la luz y desconectar la consola de la red.


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6.7 DETALLE DE CÁLCULOS PARA EL INFORME

6.7.1 Cálculo del Número de Reynolds

= ℎ

Donde,: Densidad del agua: Velocidad promedio del fluidoℎ: Longitud característica/ separación entre placas (3 mm): Viscosidad absoluta del agua

6.7.2 Cálculo del Número de Reynolds reducido

∗ = ∞ (ℎ)

2

Donde,∞: Velocidad promedio del fluido: Longitud característica del perfil estudiado: Viscosidad cinemática del aguaℎ: Separación entre placas (3 mm)Si ∗ > 1 los términos de inercia se vuelven considerables. Esto provoca que las líneasde corriente aparezcan un tanto borrosas. En otras palabras, indica una atenuación enlas líneas de corriente.

6.8 PREPARACIÓN DEL INFORME

Mesa de Flujo Bidimensional

Se debe presentar un ejemplo de cálculo del Número de Reynolds y Reynolds reducido

para cada perfil estudiado. Incluyendo una gráfica del perfil, donde se señale la longitud

característica considerada para dicho perfil. (Incluir unidades)

Se debe presentar posteriormente una tabla de esta manera:

PerfilLongitud

característica[m]

Distancia[m]

Tiempo[s]

VelocidadPromedio

[m/s] ∗

A continuación se deben incluir las fotografías tomadas de las líneas de corriente

formadas al pasar a través de cada perfil y señalar en las mismas las zonas de alta y

baja velocidad y alta y baja presión. Señalar también puntos de estancamiento, puntos

de desprendimiento y zonas en las que se pueda evidenciar ∗> 1 (líneas de corrienteatenuadas o borrosas).


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Para los experimentos donde no se utilizan perfiles (Ejm: óvalo de Rankine, doblete,

semi óvalo de Rankine) no se deberán realizar los cálculos antes mencionados pero sí

se deberán analizar las fotografías tomadas del experimento, indicando las zonas de

alta y baja velocidad y alta y baja presión.

Realizar un análisis de los resultados y gráficas obtenidas.

Visualizador de Flujo por Burbujas de Hidrógeno

Se deberá incluir en el informe la fotografía tomada del experimento, señalando en la

misma zonas donde se pueda evidenciar la condición de no deslizamiento y/o la

formación del perfil de velocidades. De igual forma señalar las zonas de de alta y bajavelocidad y alta y baja presión.

Realizar un análisis de lo observado.

Por último se deberán incluir conclusiones (Mínimo 3 por persona) y recomendaciones

(Mínimo 2 por persona) respecto a los dos experimentos.

6.9 PREGUNTAS

1. En la práctica, ¿qué formas de visualización de flujo se pudieron obtener y

cómo?

2. ¿Cómo se obtiene un óvalo de Rankine?

3. Explique el efecto de arrastre (drag ) y su importancia en la mecánica de fluidos.

4. ¿Qué es el creeping motion?

5. ¿Qué es un flujo potencial? y ¿Cuáles son los tipos de flujo potencial máscomunes?

6. Indique la diferencia entre un punto de estancamiento y un punto de

desprendimiento

7. ¿Qué son los perfiles NACA?

8. Explique la paradoja de D’Alembert

9. Similitudes y diferencias de la capa límite en flujo laminar y en turbulento.

10. Mencione 4 aplicaciones de los experimentos realizados en ingeniería.


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6.10 BIBLIOGRAFÍA

[1] Çengel Y; Mecánica de Fluidos y Aplicaciones, Editorial McGraw-Hill; 2006

[2] White F.; Fluid Mechanics; 4th edition, McGraw-Hill.

[3] JÁCOME, V; Laboratorio de Fluidos Guías de Ensayos: Escuela PolitécnicaNacional.

[4] MOLINA, P.; MOSO D.; Flujo laminar bidimensional incompresible en estado estable:

estudio, simulación y experimentación; Proyecto de Titulación, EPN, Quito, 2013.

[5] http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/conceptosbasicosmfluidos/clasificacio

ndelflujo/clasificaciondelflujo.html

[6] http://clubensayos.com/Ciencia/Ensayo-Hele-Shaw/304238.html

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