Reynolds

NÚMERO DE REYNOLDS

INFORME DE LABORATORIO PRÁCTICA 2. NÚMERO DE REYNOLDS

CAMILA ANDREA CASTILLO CASAS 

FUNDACIÓN UNIVERSIDAD DE AMÉRICA 

1. DESCRIPCIÓN DEL LABORATORIO

RESUMEN

El número de Reynolds  habla del régimen con que fluye un fluido, lo cual es de gran importancia tanto a nivel experimental como a nivel industrial en el diseño de reactores y en fenómenos de transporte. A lo largo de la práctica se estudiara el  número de Reynolds el cual denota si el régimen es turbulento o laminar.  A demás el número de Reynolds proporciona una indicación de la pérdida de energía causada por los efectos viscosos del fluido. 

OBJETIVOS

1. Calcular el numero de Reynolds para un sistema de flujo y observar el cambio de régimen con ayuda de una tinta disuelta en el agua 
2. Demostrar el experimento de Osborn Reynolds
3. Determinar el número de Reynolds para flujos laminares y turbulentos. 

MARCO TEÓRICO

El número de Reynolds (Nre) es un parámetro adimencional cuyo valor indica si el flujo sigue un modelo laminar o turbulento, que relaciona las propiedades más importantes de flujo y permite determinar si el régimen del mismo es laminar, turbulento o transitorio. El número de Reynolds permite caracterizar la naturaleza del flujo, es decir, si se trata de un flujo laminar, flujo transicional o de un flujo turbulento, además indica la importancia relativa de la tendencia del flujo hacia un régimen turbulento respecto de uno laminar y la posición de este estado dentro de una longitud determinada. 

Las características que condicionan el flujo laminar dependen de las propiedades del líquido y de las dimensiones del flujo. Mientras que aumenta el flujo másico aumenta las fuerzas del momento o inercia, las cuales son contrarrestadas por la por la fricción o fuerzas viscosas dentro del líquido que fluye. Cuando estas fuerzas opuestas alcanzan un cierto equilibrio se producen cambios en las características del flujo. En base a los experimentos realizados por Reynolds en 1874 se concluyó que las fuerzas del momento son función de la densidad, del diámetro de la tubería y de la velocidad media. Además, la fricción o fuerza viscosa depende de la viscosidad del líquido. Según dicho análisis, el Número de Reynolds se definió como la relación existente entre las fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas (o de rozamiento).

El número de Reynolds proporciona una indicación de la pérdida de energía causada por efectos viscosos. Observando la ecuación anterior, cuando las fuerzas viscosas tienen un efecto dominante en la pérdida de energía, el número de Reynolds es pequeño y el flujo se encuentra en el régimen laminar. Si el Número de Reynolds es 2000 o menor el flujo será laminar. Un número de Reynolds mayor de 4000 indican que las fuerzas viscosas influyen poco en la pérdida de energía y el flujo es turbulento. Finalmente si el número de Reynolds llega a estar entre los valores igual o mayor a 2000 e igual o menor a 4000 se considera que el flujo de ese fluido es transicional. 

En resumen, es la relación entre fuerzas viscosas y fuerzas gravitacionales. Si el Reynolds es bajo, indica que prevalecen las fuerzas viscosas y el régimen de flujo es laminar (la transmisión de la cantidad de movimiento en el fluido se da entre capas laminares). Por el contrario, si el Reynolds es alto, no influyen tanto las fuerzas viscosas y el régimen es turbulento (el movimiento no se da por capas, sino desordenadamente, por remolinos y cambia el perfil de velocidad del fluido).Visualmente, si se agrega una tinta al fluido, se verá como una línea en régimen laminar; en cambio, para el régimen turbulento se disolverá coloreando todo el fluido.  

El número de Reynolds depende de la velocidad del fluido, del diámetro de tubería, o diámetro equivalente y de la viscosidad cinemática o en su defecto densidad y viscosidad dinámica.  

En una tubería circular se considera: 

• Re< 2300. El flujo sigue un comportamiento laminar
• 2300< Re > 4000 Zona de transición de laminar a turbulento
• Re> 4000 El fluido es turbulento 

Un flujo laminar se define como aquel en que el fluido se mueve en capas o láminas, moviéndose suavemente unas sobre otras y existiendo sólo intercambio de moléculas entre estas capas. Cualquier tendencia hacia la inestabilidad o turbulencia es disminuida por la acción de las fuerzas cortantes viscosas que se oponen al movimiento de estas capas de fluido que se encuentran juntas entre sí. Por otro lado, en un flujo turbulento el movimiento de las partículas es muy inestable o desordenado y se tiene un intercambio entre capa y capa muy intensa o con mayor velocidad que si fuese un flujo laminar. 

EQUIPOS, INSTRUMENTOS Y MATERIALES

Módulo Básico Gunt HM 150

2. DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA

MÉTODOS Y PROCEDIMIENTO

Para esta práctica de laboratorio se usó el Módulo Básico Gunt HM 150 (G.U.N.T., 2005), el cual para este montaje se obtuvieron tres volúmenes en tres diferentes tiempos teniendo en cuenta el flujo que se mostraba aparente gracias a el azul de metileno quien fue el encargado de servir como indicador de un flujo laminar o turbulento ara este fluido. El procedimiento realizado fue el siguiente:

1. Instalar el módulo HM 150,18 sobre el módulo  básico HM 150, conectando la manguera de salida de la bomba en la tubería de empalme N° 12 y la manguera de salida del módulo a un desagüe, de tal manera que no se tiña el agua del depósito de la bomba. 
2.  Cerrar la válvula de salida de la bomba, la válvula N° 11 y la válvula N° 1, de salida del módulo.  
3. Manteniendo cerrada la válvula N° 7, llenar con tinta el depósito N° 8.  
4. Poner en funcionamiento la bomba, abriendo lentamente la válvula de salida de la misma. Abrir un poco la válvula N° 11, con lo cual el agua sube por el tubo rebosadero N° 10 hasta el depósito de reserva N° 9, llenando enseguida el tubo N° 3.  
5. Abrir un poco la válvula de salida N° 1, regulando un flujo tal que se mantenga un nivel constante en el depósito N° 9, manipulando también la válvula N° 11. No debe permitirse que se llene completamente el depósito, ni que se suspenda el flujo hacia la pieza de salida N° 5.  
6. Medir con la jarra aforada el mayor volumen de agua que pueda medirse con precisión, tomando el tiempo con el cronómetro suministrado, con el fin de determinar el caudal empleado. Anotar en la planilla los datos de volumen y tiempo.  
7. Abrir ligeramente la válvula N° 7, del depósito de tinta, de tal manera que se observe la entrada de la tinta a la corriente de agua en el tubo N° 3.  
8. Si el flujo es laminar, se observará una línea de tinta recta, que no se mezcla con el agua. Cerrar inmediatamente la válvula N° 7, del depósito de tinta. Anotar en la planilla cómo se observa el régimen.  
9. Regular nuevamente un caudal un poco mayor, repitiendo los Pasos 5, 6 y 7.  
10. Deben hacerse varios ensayos cambiando el caudal, de tal manera que se vaya incrementando el Número de Reynolds, observando cuándo se consigue la transición de régimen laminar a régimen turbulento.  
11. Terminado el experimento debe hacerse limpieza al depósito de tinta.

El objetivo general para la obtención de los datos era dejar que el flujo se desplaza a través del tramo de tubo de ensayo teniendo en cuenta que para comenzar a medir un volumen de agua se debía primero obtener una línea de azul de metileno durante todo el trayecto. 

Para poder graduar el sistema en general y obtener ya fuese una línea totalmente recta de azul de metileno hasta una línea totalmente desorganizada de la misma, era necesario graduar la cantidad de agua que entraba al sistema al igual que la cantidad de azul de metileno que se juntara a esta corriente de agua. Para poder cuadrar estos volúmenes se necesitaron de las válvulas 7 y la 1. Sin embargo para poder obtener aún mejores resultados era necesario que el agua que estaba en el depósito de reserva no superara el límite de rebosamiento o el tramo de reboso ya que esto producía errores en la lectura o vista del azul de metileno durante el trayecto por el tubo de ensayo. 

DATOS

Los datos tomados en el laboratorio fueron los siguientes a los cuales se les determinaba el régimen según la cantidad de azul de metileno  que se visualizaba. 

Tabla 1. Datos Caudal

CÁLCULOS Y RESULTADOS

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Los resultados obtenidos en la práctica se consignan a continuación en la tabla 2 en la cual se hace una comparación para cada régimen

Tabla 2. Caudal, Velocidad y Número de Reynolds

A demás con los datos obtenidos se puede observar con base a la gráfica 1 que  el caudal es directamente proporcional  al número de Reynolds. Lo que indica que a medida que aumenta el  caudal el flujo puede pasar de laminar a transitorio o turbulento según sea el caso. Esa tendencia lineal representa que a altas velocidades el flujo es turbulento  y por ende el número de Reynolds es mayor. 

Gráfica 1. Caudal Vs. Número de Reynolds

CONCLUSIONES 

1. A velocidades bajas se presenta un menor caudal lo que determina que un fluido encuentra en flujo laminar, a diferencia de un flujo que presente altas velocidades por tanto presenta un mayor caudal lo que lo clasifica como un flujo de régimen turbulento.
2. El numero de Reynolds es afectado directamente por el caudal que tiene el fluido, puesto que a menor caudal el numero de Reynolds va a tener un menor valor lo que indica una tendencia hacia un flujo laminar; por el contrario al aumentar el caudal el numero de Reynolds va a aumentar mostrando un comportamiento de un flujo turbulento
3. En un flujo turbulento las pérdidas de energía son mayores que las de un flujo laminar y es una de las razones por las cuales siempre se desea un flujo laminar para el transporte de un fluido por una tubería esto teniendo en cuenta la viscosidad dinámica del fluido. 

REFERENCIAS

MOTT, Robert L.; Mecanica de fluidos; Sexta edición, Editorial Person, Pag230.

REYNOLDS, N. Y. (09 de 2006). Fluidos.eia. Recuperado el 7 de 10 de 2015, de Fluidos.eia: http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/conceptosbasicosmfluidos/reynolds/numero.htm