Reynolds

UNIVERSIDAD DEL VALLE
FACULTAD DE INGENIERÍA
LABORATORIO DE FLUIDOS E HIDRÁULICA

Práctica 4

EXPERIMENTO DE REYNOLDS

1. Objetivos

1.1 Objetivo general

Demostrar en la práctica las diferencias entre los flujos laminar y turbulento.

1.2 Objetivos específicos

* Conocer el experimento realizado en 1883 por Osborne Reynolds.
* Identificar cualitativamentela diferencia entre los regímenes de flujo.
* Calcular los números de Reynolds para los distintos regímenes de flujo.

2. Conceptos fundamentales

El experimento de Reynolds

El ingeniero alemán Gotthilf Hagen (1797-1884) fue quien primero realizó experimentos con flujo interno, utilizando agua con aserrín en una tubería de latón y reportando que el comportamiento del fluido a lasalida de la tubería dependía de su diámetro y de la velocidad y temperatura del fluido.

Posteriormente, el profesor británico de ingeniería Osborne Reynolds (1842-1912), luego de terminar su estudio de flujo en medio poroso, realizó experimentos en un montaje especial (Figura 1) para estudiar más a fondo lo encontrado por Hagen para varias temperaturas y diámetros. Fue así como en 1883, reportó laexistencia de regímenes de flujo y los clasificó de acuerdo a un parámetro que pudo deducir y que ahora lleva su nombre: el Número de Reynolds.

Figura 1. Montaje experimental de Reynolds
El montaje consistía en un tanque de agua con una tubería de vidrio dentro de la cual inyectó por sifón una fina corriente de tinta, regulando el flujo con una válvula que abría con una palanca larga.Visualización de los regímenes de flujo

Reynolds observó que el filamento de tinta conservaba su forma a velocidades bajas, mostrando que el agua se movía en líneas de corriente paralelas sin lugar a ninguna mezcla; este es el caso del Flujo laminar, aquel donde existe un predominio de las fuerzas viscosas tangenciales sobre las fuerzas de inercia del campo de flujo (Figura 2a).

Al aumentar lavelocidad, comenzaban a surgir fluctuaciones en la trayectoria del filamento, lo que demostró que el comportamiento ordenado empezaba a perderse debido a la aceleración del flujo; no obstante, no se desarrollaban aún trayectorias definidas ni completamente erráticas. Este régimen de flujo se denomina Flujo de Transición (Figura 2b).

Posteriormente y luego de incrementar aún más la velocidad, elfilamento de tinta experimentaba una dispersión completa de forma irregular y aleatoria, dando lugar a mezclas entre capas de fluido. Este caso evidenció el Flujo turbulento (Figura 2c), donde los efectos viscosos son mucho menores con respecto a los inerciales.

Figura 2. Regímenes de flujo

El número de Reynolds

Los numerosos ensayos se realizaron variando la velocidad de flujo para undiámetro de tubería constante. Los resultados permitieron deducir el Número de Reynolds, que permite clasificar el tipo de flujo presente en el interior de una tubería según la expresión:

Re=ρVLμ=VDv

Donde:

Re = Número de Reynolds
V = Velocidad media del flujo [m/s]
L = Longitud característica [m]
D = Diámetro de la tubería [m]
µ = Viscosidad dinámica [N.s/m2]
ρ = Densidad delfluido [Kg/m3]
v = Viscosidad cinemática [m2/s]

La magnitud del Número de Reynolds para cada régimen varía de acuerdo a las condiciones dadas, aunque para propósitos de ingeniería (ya sea diseño o análisis) se aceptan los siguientes valores:

* Flujo laminar, Re < 2000
* Flujo de transición, 2000 < Re < 4000
* Flujo turbulento, Re > 4000

Reynolds encontró que el Flujo detransición se encontraba dentro de un rango: al incrementar la velocidad, el Flujo laminar desaparecía después de una velocidad crítica hasta describir un comportamiento turbulento y al disminuir la velocidad gradualmente, el flujo volvía a ser laminar pero a otra velocidad crítica menor que la primera.

Los Números de Reynolds asociados a estas velocidades se denominan Número de Reynolds...