Visualizacion de Flujos
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PRIMER LABORATORIO 1 de enero de 2014 UNASAM-FIC Página 1 MECÁNICA DE FLUIDOS LABORATORIO N° 01 VISUALIZACIONES DE FLUJOS “MESA DE ANALOGÍAS DE STOKES”
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PRIMER LABORATORIO 1 de enero
de 2014
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MECÁNICA DE FLUIDOS LABORATORIO N° 01
VISUALIZACIONES DE FLUJOS
“MESA DE ANALOGÍAS DE STOKES”
PRIMER LABORATORIO 1 de enero
de 2014
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INTRODUCCIÓN
Muchos problemas de diseño de estructuras que interactúan con fluidos (gases y
líquidos) en movimiento nos lleva a determinar el carácter del flujo. En algunas
condiciones, el fluido parecerá que fluye en capas, de una manera uniforme y regular, así
mismo puede que sea de manera brusca o turbulenta. Se puede observar este fenómeno
cuando se abre un grifo de agua lentamente, hasta que el chorro es uniforme y estable.
A este tipo de fluido se le conoce como flujo laminar. Si se abre más el grifo,
permitiendo que aumente la velocidad del flujo, se alcanzaría un punto en el que el fluido
ya no es uniforme ni regular. El agua del chorro parecerá que se mueve de una manera
bastante caótica. Al flujo, entonces, se le conoce como flujo turbulento.
Se llama flujo laminar o corriente laminar, al tipo de movimiento de un fluido cuando éste
es perfectamente ordenado, estratificado, suave, de manera que el fluido se mueve en
láminas paralelas sin entremezclarse si la corriente tiene lugar entre dos planos
paralelos, o en capas cilíndricas coaxiales como, por ejemplo la glicerina en un tubo de
sección circular. Las capas no se mezclan entre sí. El mecanismo de transporte es
exclusivamente molecular. Se dice que este flujo es aerodinámico. En el flujo
aerodinámico, cada partícula de fluido sigue una trayectoria suave, llamada línea de
corriente.
En este experimento veremos a conocer el funcionamiento de la mesa de análisis de
Stokes, cuáles son sus parte y cuál es el comportamiento que tiene el flujo turbulento y
laminar frente a diferentes formas de obstáculo.
la alumna.
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I. OBJETIVOS
Visualización de las líneas de corrientes para diferentes obstáculos a
través de un flujo permanente.
II. METODOS Y MATERIALES (O EQUIPOS)
1. MESA DE ANALOGÍAS DE STOKES
1.1. CARACTERISTICAS
Permite visualizar mediante un colorante las líneas de corriente
Accesibilidad para grupos de 10 alumnos.
Visualización de los patrones de flujo alrededor de perfilas
Necesita de una fuente domestica de agua como suministro.
Es de construcción liviana, solida e inoxidable.
1.2. DESCRIPCION
El equipo está concebido para generar flujos bidimensionales en régimen
laminar de apenas 3 mm de espesor.
Posee una cámara de disipación de la energía de la fuente de suministro de
agua mediante bolitas de vidrio, pasando luego a una cámara de reposo a
través de una serie de orificios de donde sale finalmente por
rebosamientos a la mesa de observación consistente en un vidrio plano de
6 mm. De espesor cuadriculado y pavonado.
Puede nivelarse mediante 4 tornillos instalados en la base y 2 niveles de
burbuja instaladas trasversalmente
La visualización de las líneas de corriente se logra mediante la disolución
de gránulos de permanganato de potasio.
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1.3. EXPERIENCIAS SUGERIDAS
A título orientativo se sugieren las siguientes, experiencias que pueden
realizarse con el equipo:
Visualización y cuantificación del flujo permanente.
Visualización del comportamiento de las líneas de corriente alrededor
de perfiles
Comportamiento de la impermeabilidad de una línea de corriente
Demostración de la ecuación de continuidad
Calculo del N° de Reynolds.
1.4. ESPECIFICACIONES
Construido íntegramente en plexiglás, calidad cristal cero de 13 mm.
De espesor unido con pegamento y tornillos que los hacen resistente a
los impactos y con guarniciones de bronces cromados.
Tiene incorporado una calidad aproximada de 900 bolitas de vidrio
que actúan como disipadores, filtro y uniformizador de flujo.
Está equipado con una válvula esférica de 3/8” para suministro de
agua de la fuente externa y dos válvulas esféricas de ½” para el
desagüe.
Está equipado con la cámara de salida para recoger el agua que sale
de la mesa para su elevación.
1.5. DIMENSIONES
Altura 100 cm
Ancho 45cm
Largo 108 cm
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2. MUESTRAS DE VIDRIO
El docente asigno dos muestras para cada alumno para poder observar las líneas
de flujos
3. LIQUIDO FLUORESCENTE Y JERÍNGA
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III. PROCEDIMIENTO DEL EXPERIMENTO
Llenar agua a un nivel óptimo en la mesa de Stokes, a través del suministro de
agua conectada al equipo.
Poner los accesorios de distorsión de flujos en posiciones arbitrarias.
Esparcir el colorante sobre la mesa laminar y visualizar las líneas de corriente
que se generan.
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IV. RESULTADOS Y DISCUSION
a) Líneas de corriente en una sección circular
Liquido esparcido en el agua donde se encuentra la muestra
Visualización de las líneas de corriente en una figura circular
b) Líneas de corriente en una sección rectangular
Visualización de las líneas de corriente en una figura rectangular con diferente
inclinación.
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c) Líneas de corriente en una sección elipsoidal
d) Líneas de corriente con otras secciones
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e) Líneas de corriente en una sección triangular
f) Líneas de corriente en una sección rectangular
g) Líneas de corriente para secciones poligonales
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V. CUESTIONARIO
1. Defina si las líneas de corriente son impermeables y como puede ser
comprobada.
Sí, las líneas de corriente son impermeable debido en que ninguna de las
pruebas realizadas en el laboratorio se cruza las líneas de corriente.
2. ¿Es posible observar los flujos básicos en el equipo? Elabore un cuadro
con los flujos básicos y diga cuales son capaces de realizarse con el
equipo.
Cuba de Reynolds Flujo turbulento
Flujo laminar
Mesa Laminar
Flujo laminar
Flujo turbulento
Flujo uniforme
Mesa de Stokes
Flujo laminar
Flujo turbulento
Flujo uniforme
3. Con respecto a la Mesa de Analogías de Stokes, describa si es posible
realizar los siguientes experimentos y detalle el proceso que se
debería seguir para lograrlo.
a) Visualización y cuantificación de Flujo Permanente.
Sí es posible visualizar el flujo permanente, ya que tendríamos el caudal
constante, y además el área es conocida (nos proporcionan las medidas de
la mesa), la velocidad resulta ser constante obteniéndose así un flujo
permanente.
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b) Visualización y comportamiento de las líneas de corriente alrededor de
perfiles o cuerpos impermeables.
Se logra mediante la disolución de permanganato de potasio: este
colorante da una coloración morada al fluido (en este caso agua),
permitiéndonos visualizar las formas que adquieren las líneas de flujo al
chocar con los cuerpos, dependiendo de la geometría del perfil colocado.
c) Visualización y perturbaciones del paso de un flujo uniforme a través de
una serie de tuberías de eje perpendicular al plano del flujo.
Sí, es posible visualizar esta perturbación, ya que cada vez que se cambia
el perfil, se puede ver el comportamiento del flujo; todo depende de la
geometría de los perfiles.
d) Visualización de un doblete.
El doblete nace de la superposición de un flujo fuente y un sumidero,
ambos con intensidad de corriente infinita. Se genera un flujo sobre un
cilindro circular que se va desvaneciendo, haciendo que (Intensidad de
flujo) aumente sin límite conforme (espaciamiento) disminuye a cero. En
otras palabras, el producto a permanece constante, generando un
doblete.
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e) Determinación del número de Reynolds.
El régimen de flujo depende de tres parámetros físicos que describen las
condiciones del flujo. El primer parámetro es una escala de longitud del
campo de flujo, como el espesor de una capa límite o el diámetro de una
tubería. Si dicha escala de longitud es lo bastantemente grande, una
perturbación del flujo podría aumentar y el flujo podría volverse
turbulento. El segundo parámetro es una escala de velocidad tal como un
promedio espacial de la velocidad; si la velocidad es lo bastante grande el
flujo podría ser turbulento. El tercer parámetro es la viscosidad
cinemática; si la viscosidad es lo bastante pequeña, el flujo puede ser
turbulento.
Estos tres parámetros se combinan en un solo parámetro conocido como el
número de Reynolds ( R ) , con el cual se puede predecir el régimen de
flujo, si R > 4000 el flujo será turbulento.
Cuando el flujo entra en régimen turbulento, se puede presentar el caso de
que el conducto sea liso o el caso de que el conducto sea rugoso.
El número de Reynolds representa la preponderancia de las fuerzas
viscosas con relación a las fuerzas de inercia y permite clasificar el
régimen de flujo.
Re= VL / υ
Re = número de Reynolds
L = longitud característica, usualmente en función del radio hidráulico
υ= viscosidad cinemática [υ= 10-6 m2/s para agua a 20 °C]
Si se usa como longitud característica el radio hidráulico, el número de
Reynolds es
Re= VR / υ
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Y los valores límites son:
Flujo laminar
Re < 500
Flujo turbulento
Re > 1000
Flujo transicional
500 < Re < 1000
Debe aclararse que en experimentos se ha demostrado que el régimen de
flujo puede cambiar de laminar a turbulento con valores entre 500 y
12500 cuando se ha trabajado con el radio hidráulico como longitud
característica, por lo que algunos aceptan los siguientes límites:
Flujo laminar
Re < 500
Flujo turbulento
Re > 12500*
Flujo transicional
500 < Re < 12500
El límite superior no está definido.
Si se usa como longitud característica un valor de cuatro veces el radio
hidráulico, (L = 4R),
Se obtiene
Re= 4 VR / υ
En la práctica, se aceptan los siguientes límites:
Flujo laminar
Re < 2000
Flujo turbulento
Re > 4000
Flujo transicional
2000 < Re < 4000
Se podría determinar el número de Reynolds, usando un termómetro, verificando el
caudal, teniendo el área y la longitud; sin embargo, es algo complicado, así que no fue
calculado en la Mesa de Analogías de Stokes, siendo más fácil su cálculo en la Cuba de
Reynolds.
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4. Uno de los fenómenos que se produce en la Mesa de Analogías de
Stokes es la separación de las líneas de corriente del flujo uniforme
de las paredes del cuerpo, exponga su acuerdo o desacuerdo acerca de
las siguientes afirmaciones citando conceptos y bibliografía revisada.
a) Se debe a la influencia a la influencia de las pareces del cuerpo.
Falso. Se debe a la geometría del perfil que se coloque sobre la mesa.
b) La zona descolorida toma el nombre de capa limite
Verdadero. La zona entre el objeto y la línea de corriente se llama capa
límite. Las siguientes características de la capa límite son muy
importantes:
La capa límite es delgada (es mucho menor que x).
El espesor de la capa límite aumenta en dirección corriente abajo, pero x
siempre es pequeño.
El perfil de la velocidad en la capa límite satisface la condición de no
deslizamiento en la pared y emerge suavemente hasta la velocidad de la
corriente libre en el borde de la capa.
Existe un esfuerzo cortante en la pared.
Las líneas de corriente del flujo en la capa límite son aproximadamente
paralelas a la superficie.
c) Dentro de la zona descolorida el flujo es nulo.
Falso. Se puede apreciar que ese flujo posee una velocidad, por lo tanto,
no es un flujo estacionario.
d) Para realizar el análisis de flujo dentro de la zona descolorida se
debe considerar la viscosidad.
En flujos con altos números de Reynolds, los efectos de la viscosidad del
fluido y la rotación se confinan en una región delgada cerca de las
superficies sólidas o de las líneas de discontinuidad, tales como las
estelas.
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VI. CONCLUSIONES
Las trayectorias y las líneas de corriente generalmente no coinciden, excepto
en el caso de flujo estacionario.
Las partículas dentro de un flujo siguen trayectorias definidas denominadas
“líneas de corriente”, las cuales se representan con una línea continua trazada a
través del fluido siguiendo la dirección del vector velocidad en cada punto.
Para observar el flujo de un fluido, se pueden inyectar en las mismas diferentes
sustancias, como partículas brillantes, tinte o humo, y así rastrear el
movimiento de las partículas, siendo denominadas estos rastros como “líneas de
emisión”.
VII. REFERENCIAS
Libros:
- W.F.Hughes. "Dinámica de fluidos", SCHAUM
- “Mecánica de fluidos I”. Pontificia Universidad Católica del Perú
Páginas Web:
http://www.cps.unizar.es/~jblasco/AFT-P4.pdf
http://inicia.es/de/vuelo/PBV/PBV17.html
http://libros.redsauce.net/
