Subido por Camilo Prieto

laboratorio de reynold

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LABORATORIO DE HIDRÁULICA DE SISTEMAS A PRESIÓN
EXPERIMENTO DE REYNOLS
(PREINFORME)
GRUPO: HSAP+ 31
JHONNIER LEONARDO GARCIA MALAVER
SANTIAGO EMMANUEL LAMPREA SUAREZ
JOHNY SEBASTIÁN MONROY RAMÍREZ
LEIDY CATALINA PEDRAZA JULIO
KRISTHIAN CAMILO PRIETO GUTIÉRREZ
JOSE ALEXANDER RODRIGUEZ RAMIREZ
ING. GLORIA STEFANY CHAPARRO SANCHEZ
ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERÍA JULIO GARAVITO
PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ D.C., 12 DE ENERO DE 2020
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................................................3
OBJETIVOS.................................................................................................................................................................3
Objetivo General ...................................................................................................................................................3
Objetivos Específicos ............................................................................................................................................3
MARCO TEÓRICO ......................................................................................................................................................4
PROCEDIMEINTO DE LA PRÁCTICA............................................................................................................................5
Parte A ..................................................................................................................................................................5
Parte B ..................................................................................................................................................................5
Parte C ..................................................................................................................................................................5
Parte D ..................................................................................................................................................................6
Parte E...................................................................................................................................................................6
TABLA DE REGISTRO..................................................................................................................................................7
CALCULOS .................................................................................................................................................................8
PREGUNTAS ........................................................................................................................................................... 12
ANÁLISIS DE RESULTADOS ..................................................................................................................................... 14
CONCLUSIONES ...................................................................................................................................................... 15
BIBLIOGRAFÍA......................................................................................................................................................... 15
INTRODUCCIÓN
La clasificación de los flujos en laminar o turbulento esta directamente relacionado con la viscosidad y la velocidad
del flujo, el ingeniero ingles Osborne Reynolds obtuvo experimentalmente el número de Reynolds, el cual logra
relacionar estas variables y determinar los límites del flujo laminar y turbulento, y así, clasificar los fluidos.
Los fluidos tienen diferentes movimientos, en este experimento de laboratorio se indagará sobre la caracterización
de ellos, mediante el experimento de Reynolds, el cual tiene como fin determinar dicho número de Reynolds, para
considerar diferentes fenómenos de transporte para poder determinar si el flujo de estudio es un flujo laminar o
turbulento. En este fenómeno asociado a alguno de los dos tipos de flujo a analizar podemos encontrar como
primera medida la variable de viscosidad, la cual es una propiedad de los fluidos que tiene la importancia de crear
los llamados esfuerzos cortantes en un fluido que se encuentra en un sistema dinámico y asociado de una manera
muy importante a las pérdidas de energía.
OBJETIVOS
Objetivo General

Determinar el significado físico del número adimensional de Reynolds mediante el montaje de un tubo de
vidrio horizontal de longitud L y diámetro D, acoplado a un tanque con un nivel de fluido contante
Objetivos Específicos

Entender el impacto que tienen las variables involucradas en el cálculo del número de Reynolds.

Determinar los límites entre los dos tipos de flujo, el flujo laminar y el flujo turbulento correspondientes
a las condiciones dadas inicialmente de manera arbitraria.

Determinar el valor número del número de Reynolds con pendientes de limites ente flujos.
3
MARCO TEÓRICO
Número de Reynolds
Situación o problema en torno a los fluidos para determinar su caracterización de movimiento, ya sea en flujo
laminar, o flujo turbulento. Este dado por la siguiente formula:
𝑁𝑅 =
𝑣𝑙⍴
𝜇
(1)
En donde:
V=Velocidad característica del fluido
L=longitud característica
⍴=Densidad de masa del fluido
μ=Viscosidad del fluido
-Número de Reynolds para caso particular de estudio en un tubo cilíndrico conteniendo un fluido a presión
𝑁𝑅 =
𝑉𝐷
𝑣
(2)
En donde:
V=velocidad media
D=diámetro del conducto
V=viscosidad cinemática
Viscosidad: Medida de resistencia a deformaciones producidas por esfuerzos cortantes o esfuerzos de
tracción. Propiedad de todos los fluidos referente a colisiones entre las partículas de ellos.
Viscosidad cinemática: Valor número que determina la forma de interactuar de un fluido bajo condiciones
específicas, es necesaria con la viscosidad dinámica poder relacionar las fuerzas ejercidas sobre un fluido para
generar una velocidad en un fluido
Flujo laminar: Movimiento de un fluido cuando este está ordenado o mantiene una organización suave
con respecto a su entorno y precipitación de este. Siguen la misma trayectoria que las líneas de corriente de un
fluido.
Flujo turbulento: tipo de movimiento que realizan las partículas de un fluido en direcciones diferentes a
las de las respectivas líneas de corriente. Se considera desordenado y no tienden a seguir ningún patrón respecto
a las líneas de corriente del flujo en el que se encuentra.
Línea piezométrica: Es la línea que une los puntos hasta los que el líquido podría ascender si se insertan
tubos piezométricos en distintos lugares a lo largo de la tubería o canal abierto.
4
PROCEDIMEINTO DE LA PRÁCTICA
Parte A
Realizar el respectivo montaje de la práctica, que consta de un tanque donde estará el fluido de estudio a un nivel
constante, con su debido nivel de rebose, un tanque para la debida inyección de la tinta en la parte superior del
tanque de donde iniciará el sistema de análisis del fluido, un tanque en donde se descargará el caudal de análisis,
un tubo de vidrio que conecta a los dos tanques, válvula al final del tubo.
Figura 1. (Sistema hidráulico). Fuente: (Rodríguez Díaz, H.A. (2001). Hidráulica Experimental (Primera Edición).
Bogotá D.C., Colombia: Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería.)
Parte B
Tomar datos de volumen y tiempo para determinar el caudal correspondiente, a su vez tomar la medida en los
piezómetros.
En primera medida procedemos a realizar la toma de la temperatura del agua.
Parte C
Variaremos el flujo mediante la válvula, primeramente, de abierto a cerrado, haciendo cinco variaciones de flujo
hasta llegar a tener toda la válvula abierta, e identificar los límites entre flujo laminar y turbulento con ayuda de
la inyección de tinta.
5
Figura 2. (Ducto para observar el límite entre los flujos). Fuente: (Rodríguez Díaz, H.A. (2001). Hidráulica
Experimental (Primera Edición). Bogotá D.C., Colombia: Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería.)
Parte D
En esta parte Variaremos el flujo de cerrado a abierto, haciendo cinco variaciones de flujo hasta llegar a casi
cerrada la válvula e identificando el límite entre flujo laminar y turbulento con ayuda de la inyección de tinta.
Parte E
Construir en escala logarítmica un gráfico de energía Vs velocidad y con las pendientes determinar el límite entre
el flujo laminar y turbulento. Con ello, calcular el número de Reynolds y la relación de proporcionalidad entre la
línea de energía y la velocidad.
6
TABLA DE REGISTRO
De acuerdo con el procedimiento de la práctica se tomaron tres datos de volumen y tiempo para calcular el caudal
también tomo la medida de los piezómetros y la longitud del perfil.
Este procedimiento se realizó variando el flujo de abierto-cerrado y de cerrado-abierto, en total se tomaron 10
datos con caudales distintos, a continuación, se muestran los datos obtenidos.
De válvula cerrada a válvula abierta
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
De válvula abierta a válvula cerrada
Q6
Q7
Q8
Q9
Q10
CAUDALES
Tiempo (s)
3,78
3,89
3,57
3,3
3,17
3,25
ALTURAS PIEZOMETRICAS (cm)
Probeta (ml) P1
P2
P3
70
70
45,6
45,7
45,4
72
170
178
44,8
44,3
43,7
180
3,46
350
3,43
3,35
3,29
3,44
3,32
3,35
3,37
3,57
3,06
3,42
3,13
3,31
3,51
3,43
3,46
3,69
3,62
3,64
3,4
3,85
3,37
3,31
3,52
345
330
515
550
490
545
543
570
393
451
405
230
270
260
120
115
110
40
40
50
23
21
24
Longitud
perfil V
63
66
43
41,4
39,8
37
41
37,6
34,4
26
39,1
35,3
31,7
12
42
38,5
35,7
22
49,2
43,5
42,6
46
45,4
45,3
49,9
52
45,7
45,7
45,9
59
45,8
45,8
45,7
75
Tabla1. (Tabla de datos)
Diámetro
tubería (m)
1,54E-02
Densidad
(kg/m3)
998,49
7
Viscosidad
(kg/m.s)
0,001028
dinámica
Temperatura del
fluido (°C)
19
Densidad (kg/m3)
998,49
Viscosidad
dinámica (kg/m.s)
0,001028
Diámetro tubería
(m)
0,0154
Longitud tubo de
vidrio (cm)
139
138,7
-
CALCULOS
Con los datos obtenidos de volumen y tiempo se puede determinar el caudal que circula por el sistema. Se obtiene
un caudal para cada una de las 10 medidas tomadas de volumen y tiempo.
El caudal se determina a partir de la siguiente expresión.
𝑄=∀𝑡
Donde,
𝑄: Caudal
∀: Volumen en (m3)
𝑡: Tiempo en (s)
La velocidad se determina a partir de la siguiente expresión.
𝑉=𝑄𝐴
Donde,
V: Velocidad
𝑄: Caudal
A: Área
El número de Reynolds de determina con la siguiente expresión.
𝑁𝑅 =
𝑣𝑙⍴
𝜇
A continuación, se muestran los respectivos cálculos.
Calculo número de RE
De valvula cerrada a valvula abierta
Tiempo Probeta Volumen
(s)
(ml)
(m3)
3,78
Q1 3,89
3,57
3,3
Q2 3,17
3,25
3,46
Q3 3,43
3,35
3,29
Q4 3,44
3,32
3,35
Q5 3,37
3,57
70
70
72
170
178
180
350
345
330
515
550
490
545
543
570
0,00007
0,00007
0,000072
0,00017
0,000178
0,00018
0,00035
0,000345
0,00033
0,000515
0,00055
0,00049
0,000545
0,000543
0,00057
Caudal (m3/s)
Velocidad
(m/s)
1,85185E-05
1,79949E-05
2,01681E-05
5,15152E-05
5,61514E-05
5,53846E-05
0,000101156
0,000100583
9,85075E-05
0,000156535
0,000159884
0,00014759
0,000162687
0,000161128
0,000159664
0,099420265
0,096608895
0,108276188
0,276569101
0,301459807
0,29734307
0,543076015
0,539999866
0,528856455
0,84038832
0,858366824
0,792367535
0,873414449
0,865044812
0,857186488
8
Velocidad
(m/s)
Re
0,101435116 1517,25877
Tipo
de
flujo según
Re
laminar
0,291790659 4364,582545 Turbulento
0,537310779 8037,05386
Turbulento
0,830374227 12420,67468 Turbulento
0,86521525
12941,82405 Turbulento
Calculo número de RE
De valvula abierta a valvula cerrada
Q6
Q7
Q8
Q9
Q10
Tiempo Probeta Volumen
(s)
(ml)
(m3)
Caudal (m3/s)
Velocidad
(m/s)
3,06
3,42
3,13
3,31
3,51
3,43
3,46
3,69
3,62
3,64
3,4
3,85
3,37
3,31
3,52
0,000128431
0,000131871
0,000129393
6,94864E-05
7,69231E-05
7,58017E-05
3,46821E-05
3,11653E-05
3,03867E-05
1,0989E-05
1,17647E-05
1,2987E-05
6,82493E-06
6,34441E-06
6,81818E-06
0,68950878
0,707976941
0,69467131
0,373051267
0,412976486
0,406956421
0,186197491
0,167317032
0,16313712
0,058996641
0,06316111
0,069723303
0,03664094
0,034061203
0,036604734
393
451
405
230
270
260
120
115
110
40
40
50
23
21
24
0,000393
0,000451
0,000405
0,00023
0,00027
0,00026
0,00012
0,000115
0,00011
0,00004
0,00004
0,00005
0,000023
0,000021
0,000024
Velocidad
(m/s)
Re
Tipo
de
flujo según
Re
0,697385677 10431,44204 Turbulento
0,397661391 5948,188917 Turbulento
0,172217214 2576,012023 Transición
0,063960351 956,714079
laminar
0,035768959 535,0293751 laminar
La línea de energía será:
𝐿𝐸 =
𝑣2
2𝑔
Donde:
V =velocidad
g = gravedad
ALTURAS PIEZOMETRICAS
(cm)
De valvula cerrada a valvula abierta
Velocidad
(m/s)
P1
P2
P3
Linea
de Linea de energia Linea de energia
energia P1
P2
P3
Q1
0,1014351 0,456
0,457
0,454
0,456524418
0,457524418
0,454524418
Q2
0,2917907 0,448
0,443
0,437
0,452339541
0,447339541
0,441339541
Q3
0,5373108 0,43
0,414
0,398
0,444714723
0,428714723
0,412714723
Q4
0,8303742 0,41
0,376
0,344
0,4451438
0,4111438
0,3791438
9
ALTURAS PIEZOMETRICAS
(cm)
De valvula abierta a valvula cerrada
Velocidad
(m/s)
P1
P2
P3
Linea
de Linea de energia Linea de energia
energia P1
P2
P3
Q5
0,8652152 0,391
0,353
0,317
0,429154813
0,391154813
0,355154813
Q6
0,6973857 0,42
0,385
0,357
0,444788317
0,409788317
0,381788317
Q7
0,3976614 0,492
0,435
0,426
0,500059867
0,443059867
0,434059867
Q8
0,1722172 0,454
0,453
0,499
0,45551166
0,45451166
0,50051166
Q9
0,0639604 0,457
0,457
0,459
0,457208508
0,457208508
0,459208508
Q10
0,035769
0,458
0,457
0,45806521
0,45806521
0,45706521
0,458
El cálculo de la pendiente de la línea piezométrica se determina con la altura obtenida de los piezómetros y la
longitud de la tubería. Se calcula desarrollando la siguiente expresión.
𝑝𝑒𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒=|𝑝A−𝑝B|/𝐿
Donde,
|P1-P2|: diferencia de alturas de los tubos piezométricos
L: Longitud de la tubería en (m)
10
De valvula cerrada a valvula abierta
0,001
Linea de energia (m)
0
0,1
1
-0,001
Pendiente linea de
energia P1-P2 (m)
Pendiente linea de
energia P2-P3 (m)
-0,002
Полиномиальная
(Pendiente linea de
energia P1-P2 (m))
-0,003
-0,004
-0,005
Полиномиальная
(Pendiente linea de
energia P2-P3 (m))
Velocidad (m/s)
11
De valvula abierta a valvula cerrada
0,007
Linea de energia (m)
0,005
Pendiente linea de energia
P1-P2 (m)
0,003
Pendiente linea de energia
P2-P3 (m)
0,001
-0,001 0,01
0,1
1
10
-0,003
Полиномиальная
(Pendiente linea de energia
P2-P3 (m))
-0,005
-0,007
Линейная (Pendiente linea
de energia P1-P2 (m))
Velocidad (m/s)
PREGUNTAS
1- ¿Por qué en el caso de la determinación del valor límite del número de Reynolds para un flujo laminar,
este valor cambia dependiendo de inicie el experimento?
En el caso de flujo laminar para la determinación del valor límite de Reynolds cambia dependiendo de
cómo se inicie el experimento es decir, si el experimento se inicia de cerrado-abierto o abierto-cerrado,
ya que se debe garantizar una velocidad que este dentro del límite laminar, es decir una velocidad
pequeña que garantice una línea recta de la tinta dentro del flujo, además como es de esperarse al
aumentar la velocidad de flujo el número de Reynolds también aumentara, ya que son directamente
proporcionales, y es el único parámetro variable.
2- ¿Qué puede decirse con respecto ala trayectoria de las partículas?
En el flujo laminar las partículas llevan una trayectoria organizada, mientras que en el flujo turbulento las
partículas van desorganizadas como se pudo observar al insertar la tinta.
3- Para el caso de flujo laminar, compare la pendiente de la línea de energía obtenida experimentalmente
con la pendiente obtenida utilizando la fórmula de Hazen – Poiseuille.
12
Hazen-Poiseuille
Pendiente por Hazen-Poiseuille
100,00
90,00
80,00
70,00
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
0,00
4,75
7,53
2,65
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Velocidad (m/s)
En la comparación entre la pendiente de la línea de energía obtenida experimentalmente y la pendiente
por la fórmula de Hazen-Poiseuille, vemos como el comportamiento tiene una pendiente menor a la
experimental, ya que es un resultado teórico, aunque la ecuación se utiliza para determinar el límite entre
flujo laminar y flujo de transición por lo que tiende a fluctuar mientras se estabiliza.
13
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Claramente se evidencia que en el primer experimento (cerrado – abierto) el promedio de velocidades es bajo,
por lo tanto, se obtuvo un N.R bajo, ya que la velocidad es directamente proporcional a este parámetro, por lo
tanto, se analizó que el flujo inicio de manera laminar. A medida que se abría más la válvula el promedio de
velocidades aumento y por lo tanto el N.R también, lo que empezó a llevar al fluido a un estado transitorio. A
partir de la quinta edición, el flujo alcanzo el estado de turbulencia, porque se obtuvo un N.R de 9860, hasta la
finalización de las medidas el N.R fue en aumento, por lo tanto, el estado del flujo siguió en constante turbulencia.
Con base en los resultados obtenidos a partir de los cálculos, y al compararlos directamente con la clasificación de
flujo obtenido a manera visual en el laboratorio, se ve que difieren de gran manera, ya que el flujo puede ser
engañoso sin antes haber hecho los correspondientes cálculos del N.R, ya que, a manera visual parecía que el flujo
empezaba en condición de turbulencia lo cual fue completamente erróneo, y de igual manera al finalizar los datos
del primer experimento, ya que no sé logro concordar en la condición del flujo en ninguno de estos casos, por
tanto el porcentaje de aciertos respecto a la condición del flujo fue completamente nula, y el de fallas muy alto.
Por esto, se deduce que antes de tomar cualquier conclusión acerca de la condición de un flujo es indispensable
realizar las correspondientes verificaciones matemáticas antes de dar una conclusión.
En el segundo experimento (abierto – cerrado), el flujo en la primera toma de datos arranca en una condición de
turbulencia, ya que su promedio de velocidades es mucho más alta, por lo tanto, el N.R es mucho más alto,
concretamente con un N.R de 12420 y en este caso a medida que se iba cerrando la válvula, el flujo tendía a
estabilizarse.
Es de gran importancia comprender que la línea piezométrica se ve afectada al cambio de presiones y alturas, ya
que a mayor presión y altura se obtendrá un nivel más alto de esta línea de energía. Evidenciamos que a medida
que el sistema pierde energía en términos de altura y presión, la pendiente de la línea piezométrica se va
afectando, ya que a menos valor de estos parámetros la línea se tiende a estabilizar hasta alcanzar una pendiente
igual a 0, alcanzando el nivel más bajo de energía en este ámbito.
Se evidencio que a medida que la velocidad media iba en aumento el promedio de la pendiente de la línea
piezométrica también iba en aumento, y como se evidencia en las gráficas, la velocidad es directamente
proporcional a esta pendiente, y por tanto entre mayor pendiente el flujo tiende a tomar un comportamiento
turbulento. Y como la velocidad es directamente proporcional a la pendiente, también se puede afirmar que el
caudal también lo será.
14
CONCLUSIONES
• Durante esta práctica se pudo identificar las tres condiciones de flujo: laminar transitorio y turbulento.
• Se concluye que no se pueden realizar afirmaciones respecto a las condiciones del flujo sin antes realizar las
respectivas verificaciones matemáticas, ya que al obtenerlos de manera visual el error es muy grande respecto a
la verdadera condición de este.
• Las pérdidas de energía respecto a la condición de flujo se pudieron evidenciar en los cálculos, ya que a medida
que el flujo toma la condición de turbulencia las pérdidas de energía serán proporcionales a las velocidades.
• En base a nuestros cálculos se puede concluir que en el estado de transición las perdidas no son proporcionales
a la velocidad
• La viscosidad como el diámetro son parámetros que inciden directamente en el número de Reynolds y por tanto
en sus condiciones de flujo, por tanto, estos valores tendrán gran influencia en la condición de flujo que tome un
fluido.
BIBLIOGRAFÍA
Rodríguez Díaz, H.A. (2001). Hidráulica Experimental (Primera Edición). Bogotá D.C., Colombia: Editorial Escuela
Colombiana de Ingeniería.
15
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