Mecánica de fluidos

Mesa de Analogías de Stokes y laminar. Flujo permanente. Cuerpos impermeables. Cuba de Reynolds

  • Enviado por: Beggs
  • Idioma: castellano
  • País: Perú Perú
  • 8 páginas
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Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas

Práctica de Laboratorio N°1

Octubre 2,002

CUESTIONARIO N° 1: MESA LAMINAR

  • Defina los conceptos teóricos y el procedimiento a seguir para obtener los siguientes flujos, además de graficarlos.

  • Flujo Uniforme: Es aquel con profundidad y velocidad constantes. Es el equivalente de un flujo en un canal abierto en tuberías, totalmente desarrollado. El flujo uniforme sóo puede ocurrir en un canal prismático recto, con una pendiente constante en el fondo. Cuando el líquido entra al área del canal, existe una región de desarrollo de flujo gradualmente variado, llamada zona transitoria; la fuerza de gravedad excede la de la pared y el flujo se acelera. La mayor velocidad aumenta el esfuerzo cortante en la pared. Si el canal es lo suficientemente largo, al final se presenta una condición de equilibrio entre la fuerza de gravedad y la fuerza de la pared, y el flujo se vuelve uniforme. Muchos canales se diseñan para la condición de un flujo uniforme. La profundidad correspondiente a un flujo uniforme en un canal particular se denomina profundidad normal (n). Aún cuando el flujo en el canal no sea uniforme, la profundidad normal es un parámetro de diseño importante.

  • Flujo Fuente: Una fuente es una línea normal al plano XY desde el cual se imagina al fluido generando un flujo uniforme en todas las direcciones y en ángulos rectos a ella. El flujo total por unidad de tiempo y unidad de área recibe el nombre de intensidad de la fuente. Como el flujo es en las líneas radiales desde la fuente, la velocidad a la distancia “R” de la fuente es calculada por la intensidad dividida entre el área de flujo de un cilindro.

  • Flujo Sumidero: El sumidero bidimensional es análogo ala carga lineal negativa de electrostática. Del patrón de líneas de corriente y de la simetría de la función corriente inmediatamente se deduce que este fluido absorbe desde el origen, por consiguiente se llega a un flujo radialmente hacia adentro.

  • Óvalo de Rankine: Ocurre cuando la línea de corriente  es una curva cerrada y se puede reemplazar por una superficie sólida, y tiene la forma de una elipse pero algo más achatada. Es la suma o superposición de un flujo sumidero, un flujo fuente y un flujo rectilíneo.

  • CUESTIONARIO N° 2: MESA DE ANALOGÍAS DE STOKES

  • 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.

  • 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.

  • 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.

  • Visualización y perturbación del paso de una flujo uniforme a través de una serie de tuberías de eje perpendicular al plano de 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.

  • 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 “a” (espaciamiento) disminuye a cero. En otras palabras, el producto a permanece constante, generando un doblete.

  • Determinación del Número de Reynolds.

  • 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.

  • 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.

  • Se debe a la influencia de las paredes del cuerpo.

  • Falso. Se debe a la geometría del perfil que se coloque sobre la mesa.

  • La zona descolorida toma el nombre de capa límite.

  • 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.

  • 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.

  • 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.

    CUESTIONARIO N°3: MESA LAMINAR Y MESA DE ANALOGÍAS DE STOKES

    Responda las siguientes preguntas en forma clara y precisa.

  • ¿Es posible apreciar el contorno de las líneas de un flujo uniforme alrededor de un cuerpo hidrodinámico por medio de la mesa laminar?

  • Sí es posible apreciar las líneas del flujo uniforme, ya que con los objetos hidrodinámicos (regiones de estelas muy pequeñas) las características de arrastre se deben a las fuerzas tangenciales viscosas que se ejercen sobre la superficie.

  • ¿Es posible visualizar un flujo uniforme en la mesa laminar? ¿Por qué? Si fuera posible describa el procedimiento a seguir.

  • Sí es posible y se hace de la siguiente manera: se nivela la mesa de modo que no haya ninguna burbuja, se llena la cámara de agua a una velocidad constante y se inyecta la tinta fuorescente mediante las agujas hipodérmicas.

  • ¿Se puede ver el patrón de flujo alrededor de cuerpos cilíndricos en la Mesa de Stokes?

  • Sí, mediante el colorante que se agrega se hace más sencillo ver el flujo que generan los diferentes cuerpos.

  • Defina si las líneas de corriente son impermeables y cómo puede ser comprobada en cada una de las mesas en el laboratorio.

  • Sí, ya que en ninguna de las pruebas realizadas en el laboratorio se cruzaban las líneas de corriente.

  • ¿Es posible observar los flujos básicos en laboratorio? Elabora un cuadro con los flujos básicos y diga cuáles son capaces de realizarse en cada mesa.

  • Cuba de Reynolds

    Flujo turbulento

    Flujo laminar

    Mesa Laminar

    Flujo laminar

    Flujo turbulento

    Flujo uniforme

    Mesa de Stokes

    Flujo laminar

    Flujo turbulento

    Flujo uniforme

    CUESTIONARIO N° 4: CUBA DE REYNOLDS

  • Defina los siguientes conceptos:

      • Flujo laminar, turbulento y transicional.

    Flujo laminar: En el flujo laminar el gradiente de velocidades es diferente de cero. El perfil de velocidad es una curva de forma suave y el fluido se mueve a lo largo de líneas de corriente de aspecto aislado. El flujo se denomina laminar porque aparece como una serie de capas delgadas de fluido (láminas) que se deslizan unas sobre otras. En el flujo laminar las partículas de fluido se mueven a lo largo de las líneas de corriente fijas y no se desplazan de una a otra. El concepto de fricción en el fluido es una analogía adecuada para el esfuerzo cortante más aún es realmente el resultado de una transferencia de momento molecular, de fuerzas intermoleculares o de ambas cosas.

    Flujo turbulento: Se conoce como flujo turbulento al movimiento desordenado de un fluido: Este se caracteriza por fluctuaciones al azar en la velocidad del fluido y por un mezclado intenso. El patrón desordenado de burbujas cercanas a la parte inferior de la pared del canal es el resultado del mezclado del flujo turbulento en esa zona.

    Flujo transicional: El flujo laminar se transforma en turbulento en un proceso conocido como transición; a medida que asciende el flujo laminar se convierte en inestable por mecanismos que no se comprenden totalmente. Estas inestabilidades crecen y el flujo se hace turbulento.

      • Número de Reynolds crítico, Reynolds crítico superior y Reynolds crítico inferior.

    Número de Reynolds crítico superior y Reynolds crítico inferior: Se pueden calcular de acuerdo al flujo que aparezca en la Cuba de Reynolds, dependerá de si el flujo es turbulento o laminar. Estos números críticos nacen de las relaciones de viscosidad cinemática, densidad de masa, longitud y velocidad.

  • Realice un esquema de comparación del número de Reynolds superior e inferior, defina valores característicos, estabilidad y facilidad de obtención, variación, etc.

  • Para R " 2300 (máximo para flujo laminar en una tubería) la mayoría de las situaciones de ingeniería pueden considerarse como “no perturbadas”, aunque en el laboratorio no es posible obtener un flujo laminar a números de Reynolds más elevados. Para R " 4000 (mínimo para el flujo turbulento estable en una tubería) este tipo de flujo se da en la mayoría de aplicaciones de ingeniería.

  • Explique y realice esquemas de la experiencia de laboratorio, poniendo especial énfasis a los conceptos de flujo laminar y turbulento, así como el momento de determinar los números de Reynolds críticos superior e inferior.

  • Para determinar el número de Reynolds se mide la temperatura del fluido con un termómetro, luego se suelta la tinta, la cual pasará por una pequeña tubería, este flujo es regulado por una pequeña válvula y a la salida se coloca una probeta para medir el volumen en un determinado tiempo, con lo cual se obtiene el caudal para luego hallarla velocidad; posteriormente se ingresa toda la fórmula del número de Reynolds, la cual depende del diámetro de la tubería, la velocidad, y la viscosidad cinemática ().

    Re = V. D