Flujos Laminar y Turbulento

7/25/2019 Flujos Laminar y Turbulento

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BLOQUE TEMÁTICO III

TRABAJO DE INVESTIGAIÓN:

TIPOS DE FLUJOS

CHRISTIAN ANDRÉS YANZA PÉREZ

JAIME ENRIQUE LÓPEZ OLSON

CHRISTIAN MIGUEL CHINCHILIMA GUAMÁN

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA

UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERÍA CIVIL, ARQUITECTURA Y DISEÑO

INGENIERÍA CIVIL

CUENCA2015



I

ÍNDICE

TEMA: .................................................................................................................................. 1

INTRODUCCIÓN: ............................................................................................................... 1

JUSTIFICACIÓN: ................................................................................................................ 2

FORMULACIÓN DEL PROBLEMA: ................................................................................. 2

OBJETIVOS: ........................................................................................................................ 3

GENERAL: ....................................................................................................................... 3

ESPECÍFICOS: ................................................................................................................. 3

MARCO TEÓRICO: ............................................................................................................. 4

Generalidades: ................................................................................................................... 4

Fluido: ........................................................................................................................... 4

Viscosidad: .................................................................................................................... 4

Fluido ideal: .................................................................................................................. 4

Fluido real: .................................................................................................................... 5

Línea de flujo: ............................................................................................................... 5

Velocidad Crítica: ......................................................................................................... 6

Número de Reynolds: .................................................................................................... 6

Números críticos de Reynolds: ..................................................................................... 7

Diagrama de Moody: ..................................................................................................... 7

Clasificación de los fluidos de acuerdo a la velocidad de flujo: ....................................... 9

Flujo Laminar: ............................................................................................................... 9

Flujo Transicional: ...................................................................................................... 10

Flujo Turbulento: ........................................................................................................ 10

INFORME DE LA MAQUETA: ........................................................................................ 13

Procedimiento: ................................................................................................................ 14

Toma de datos: ................................................................................................................ 14

Cálculo: ........................................................................................................................... 15



II

METODOLOGÍA: .............................................................................................................. 16

CONCLUSIONES: ............................................................................................................. 17

ANEXOS (FOTOGRAFÍAS DE LA MAQUETA): ........................................................... 18

BIBLIOGRAFÍA: ............................................................................................................... 22

ÍNDICE DE ILUSTRACIONES:

Ilustración 1, Fluido entre una lámina inferior fija y una superior móvil ............................. 4

Ilustración 2, Fluido Ideal ..................................................................................................... 5

Ilustración 3, Velocidad de un fluido en una tubería ............................................................ 5

Ilustración 4, Línea de flujo y velocidad ............................................................................... 6

Ilustración 5, Rugosidad relativa ........................................................................................... 7

Ilustración 6, Diagrama de Moody ........................................................................................ 8

Ilustración 7, Tipos de flujos ................................................................................................. 9

Ilustración 8, Perfil laminar de velocidades ........................................................................ 10

Ilustración 9, tipos de flujo .................................................................................................. 10

Ilustración 10, Flujo Turbulento ......................................................................................... 11

Ilustración 11, Turbulencia de pared ................................................................................... 12

Ilustración 12, Turbulencia libre ......................................................................................... 12

Ilustración 13, Zonas de flujo turbulento ............................................................................ 12



1

TEMA:

Investigación referente a los tipos de fluidos: flujo laminar y flujo turbulento

INTRODUCCIÓN:

Se conoce como fluido a todo cuerpo que tiene la capacidad de fluir y carece de rigidez y

elasticidad, y en consecuencia cede inmediatamente a cualquier fuerza tendente a alterar su

forma y adoptando así la firma del recipiente que lo contiene.

Los fluidos pueden ser líquidos o gases según la diferente intensidad de las fuerzas de

cohesión existentes entre sus moléculas. (Montes, 2014)

El estudio de los fluidos es una rama importante dentro de la ingeniería civil, ya que

dependiendo de los procesos que vayamos a realizar, del tipo de instalaciones, del tipo de

tubería que usemos, de las características del fluido que vayamos hacer circular, etc., sabremos

qué tipo de flujo va a generarse y si es el adecuado para dichos procesos.

Los fluidos pueden clasificarse de diferentes maneras, dependiendo de las características

físicas que tomemos en cuenta, es decir, de acuerdo al estado de la materia, de acuerdo a la

velocidad que puedan presentar, de acuerdo a si es dinámico o estático, etc., centrándonos en

este trabajo, en dos tipos de flujos (Laminar y Turbulento) que se encuentran dentro de la

clasificación de acuerdo a la velocidad de flujo, la misma que está regida por el número de

Reynolds (Terrón, 2013)



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JUSTIFICACIÓN:

El presente trabajo se realizó debido a la necesidad de fomentar la investigación y debido a

la necesidad de conocer y comprender el comportamiento de los líquidos en movimiento dentro

de una tubería, lo cual nos beneficiará en nuestro futuro como profesionales ya que este tema

es importante para la respectiva realización de nuestros proyectos que involucren flujos en

movimiento.

FORMULACIÓN DEL PROBLEMA:

El presente trabajo se realiza debido a la falta de conocimientos acerca del tema, y debido a

la importancia de comprender estos temas, para aplicarlos a la hidráulica, materia que nos

encontramos cursando en el presente ciclo.



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OBJETIVOS:

GENERAL:

Analizar el comportamiento de los diferentes tipos de flujo mencionados en esta

investigación.

ESPECÍFICOS:

Realizar una investigación referente a los tipos de flujos.

Describir teórica y gráficamente los tipos de flujos.

Construir una maqueta para representar los tipos de flujo analizados en el presente trabajo.



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MARCO TEÓRICO:

Generalidades:

Fluido: Anteriormente ya se mencionó el concepto de fluido, pero generalmente, podemos

decir que fluido es todo cuerpo que puede fluir y que no es rígido ni elástico, por lo que

cualquier fuerza que se le aplique tiende a alterar su forma.

Viscosidad: La viscosidad es la medida de fluidez de los diferentes líquidos. Puede

considerarse como el rozamiento interno entre las capas de fluido. A causa de la viscosidad, es

necesario ejercer una fuerza para obligar a una capa de fluido a deslizarse sobre otra.

Ilustración 1, Fluido entre una lámina inferior fija y una superior móvil

La capa de fluido en contacto con la lámina móvil tiene la misma velocidad que ella,

mientras que la adyacente a la pared fija está en reposo. La velocidad de las distintas capas

intermedias aumenta uniformemente entre ambas láminas tal como sugieren las flechas.

(García, 2010)

Con la intensión de una mejor comprensión del análisis, haremos una diferenciación entre

fluido real y fluido ideal:

Fluido ideal: Según la ecuación de Bernouilli, si un fluido fluye estacionariamente

(velocidad constante) por una tubería horizontal estrecha y de sección transversal constante, la

presión será constante a lo largo de la tubería; no existe rozamiento interno o viscosidad.

(Anónimo, 2014)



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Ilustración 2, Fluido Ideal

Fluido real: Existe una resistencia o fuerza de frenado que ejercen las paredes interiores de

una mangueta o tubo sobre las capas del fluido que están en contacto con ellas; además existe

una fuerza de arrastre que ejerce cada capa de fluido sobre la adyacente que está en movimiento

con distinta velocidad (fuerzas viscosas). Para vencer las fuerzas de resistencia se necesita una

diferencia de presión (fuerza), por lo que en realidad la presión no es constante. Además como

podemos observar en la Ilustración 3, cuando un fluido viscoso fluye por una tubería, su

velocidad es mayor en el centro que en las proximidades de las paredes. (Anónimo, 2014)

Ilustración 3, Velocidad de un fluido en una tubería

El flujo de un fluido real es mucho más complejo que el de un fluido ideal. Debido a la

viscosidad de los fluidos reales, en su movimiento aparecen fuerzas cortantes entre las partículas fluidas y las paredes del contorno y entre las diferentes capas del fluido. Las

ecuaciones diferenciales en derivadas parciales, que resolverían en forma general el problema

de flujo (ecuaciones de Euler) no admiten, por lo común, una solución. Como consecuencia,

los problemas de flujos reales se resuelven aprovechando datos experimentales y utilizando

métodos semiempíricos.

Línea de flujo: es la trayectoria descrita por un elemento de fluido en movimiento. La

velocidad del elemento varía en magnitud y dirección a lo largo de su línea de flujo. Es



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importante saber que la tangente en un punto cualquiera de las líneas de flujo representa la

velocidad del fluido en ese punto. (Torres, n/a)

Ilustración 4, Línea de flujo y velocidad

Velocidad Crítica: es aquella velocidad por debajo de la cual toda turbulencia es

amortiguada por la acción de la viscosidad del fluido.

Número de Reynolds:

Es una herramienta para determinar y predecir el tipo de flujo; es adimensional y depende

de la densidad y viscosidad del fluido analizado, la velocidad del mismo y una dimensión

característica que depende del sistema a analizar.

Viene dado por la fórmula:

=

En donde:

= número de Reynolds ()

= velocidad ( ⁄ )

= diámetro de la tubería ()

= viscosidad cinemática del líquido



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Dependiendo del valor que se obtenga al aplicar la fórmula del número de Reynolds,

podremos saber el tipo de flujo que tenemos, para lo cual contamos con los números críticos

de Reynolds.

Números críticos de Reynolds:

Para los flujos en conductos, el número de Reynolds adopta la fórmula mencionada

anteriormente, y se sabe que existen los siguientes rangos:

Si ≤ el flujo es laminar

Si

≥ el flujo es turbulento

Si < < se conoce como región crítica, en donde no es posible predecir

el tipo de flujo.

Diagrama de Moody:

El diagrama de Lewis Ferry Moody es una representación gráfica a escala doblemente

logarítmica del factor de fricción en función del número de Reynolds y la rugosidad relativa de

la tubería.

Ilustración 5, Rugosidad relativa

En el caso de que el flujo sea laminar, el factor de fricción depende únicamente del número

de Reynolds, mientras que para el flujo turbulento, el factor de fricción depende tanto del

número de Reynolds como de la rugosidad relativa de la tubería y dicho factor de fricción se

representa mediante una familia de curvas. (Chow, 1982)



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Ilustración 6, Diagrama de Moody



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Clasificación de los fluidos de acuerdo a la velocidad de flujo:

Existen dos tipos de flujos permanentes en el caso de flujos reales, que es necesarioconsiderar y entender. Estos se llaman flujo laminar y flujo turbulento, los mismos que están

dentro de un análisis microscópico, ya que se analiza el comportamiento de las partículas del

fluido, las mismas que forman capas de fluido, en las cuales nos basamos para la respectiva

clasificación. Ambos tipos de flujos vienen gobernados por leyes distintas. (Giles, Evett, &

Liu, 1994)

Ilustración 7, Tipos de flujos

Flujo Laminar:

Es uno de los dos tipos principales de flujo en fluido. Se llama flujo laminar o corriente

laminar, al movimiento de un fluido cuando éste es ordenado, estratificado, suave. En un flujo

laminar el fluido se mueve en láminas paralelas sin entremezclarse y cada partícula de fluido

sigue una trayectoria suave, llamada línea de corriente o línea de flujo.

El flujo laminar es típico de fluidos a velocidades bajas o viscosidades altas. El número de

Reynolds es un parámetro adimensional importante en las ecuaciones que describen en qué

condiciones el flujo será laminar o turbulento.

El perfil laminar de velocidades en una tubería tiene forma de una parábola, donde la

velocidad máxima se encuentra en el eje del tubo y la velocidad es igual a cero en la pared del

tubo. En este caso, la pérdida de energía es proporcional a la velocidad media, mucho menor

que en el caso de flujo turbulento. (Anónimo, Wikipedia, La enciclopedia libre, 2015)



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Ilustración 8, Perfil laminar de velocidades

Flujo Transicional:

También llamado flujo crítico, existe cuando el caudal se incrementa después de estar en

flujo laminar hasta que las láminas comienzan a ondularse y romperse en forma brusca y difusa.

(E., 2011)

Ilustración 9, tipos de flujo

Flujo Turbulento:

Se llama flujo turbulento o corriente turbulenta al movimiento de un fluido que se da en

forma caótica, en que las partículas se mueven desordenadamente. Estas mismas partículasrecorren trayectorias formando pequeños remolinos periódicos, como por ejemplo el agua en

un canal de gran pendiente.



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Ilustración 10, Flujo Turbulento

El flujo turbulento es más comúnmente desarrollado debido a que la naturaleza tiene

tendencia hacia el desorden y esto en términos de flujos significa tendencia hacia la turbulencia

(SOTELO AVILA, 1980.).

Características de la turbulencia:

En el flujo turbulento las partículas se mueven en trayectorias irregulares, que

no son suaves ni fijas.

El flujo es turbulento si las fuerzas viscosas son débiles en relación con las

fuerzas inerciales (Hall, 19997.).

Un número de Reynolds suficientemente alto corresponderá a un flujo

turbulento.

Los flujos turbulentos son altamente no lineales en su comportamiento.

La turbulencia se caracteriza por altos niveles de vorticidad fluctuante. Las

estructuras identificables en un flujo de este tipo son denominadas genéricamente

remolinos.

Debido a la mezcla macroscópica de partículas, este tipo de flujos se

caracterizan por un rápido ritmo de difusión de momentum y calor (POTTER, 1995.).

Tipos de turbulencia:

Turbulencia de pared: Generada por efectos viscosos debida a la existencia de

paredes.

Turbulencia libre: Producida en la ausencia de pared y generada por el

movimiento de capas de fluido a diferentes velocidades (Hall, 19997.).



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Ilustración 11, Turbulencia de pared Ilustración 12, Turbulencia libre

Factores que hacen que un flujo se torne turbulento:

La alta rugosidad superficial de la superficie de contacto con el flujo, sobre todo

cerca del borde de ataque y a altas velocidades, irrumpe en la zona laminar de flujo y

lo vuelve turbulento.

Alta turbulencia en el flujo de entrada. En particular para pruebas en túneles de

viento, hace que los resultados nunca sean iguales entre dos túneles diferentes.

Gradientes de presión adversos como los que se generan en cuerpos gruesos,

penetran por atrás el flujo y a medida que se desplazan hacia delante lo "arrancan"(Gonzales, 2011.).

Calentamiento de la superficie por el fluido, asociado y derivado del concepto

de entropía, si la superficie de contacto está muy caliente, transmitirá esa energía al

fluido y si esta transferencia es lo suficientemente grande se pasará a flujo turbulento

(POTTER, 1995.).

Ilustración 13, Zonas de flujo turbulento



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INFORME DE LA MAQUETA:

De acuerdo a lo planificado con el docente el presente trabajo se basa en la clasificación de

los flujos, para lo cual hemos visto conveniente la realización de una maqueta que represente

a los mismos en base al número de Reynolds.

Una vez decidido la construcción de la maqueta, procedimos a la adquisición de los

materiales para su elaboración.

En la busca de los materiales, no se logró conseguir un tubo de vidrio, por lo cual se procedió

a realizar con una manguera de una pulgada de diámetro la cual presenta una visibilidad

adecuada para cumplir con el objetivo de la maqueta.

Debido a la necesidad de acoplamiento de la manguera mencionada anteriormente,

procedimos a la respectiva perforación del vidrio, lo cual lo logramos luego de muchos intentos

fallidos, ya que el espesor de este no nos permitía trabajar adecuadamente. Posteriormente se

procedió a juntar todos los vidrios, formando así nuestro depósito.

La perforación del vidrio se realizó a una altura de 34,5cm de la base de la maqueta, logrando

crear un desagüe para que el volumen del líquido permanezca constante, representando de esta

manera lo que normalmente encontramos en nuestro medio.

Posterior a esto, se procedió a pegar con la ayuda de silicona la manguera al depósito, la

cual está soportada por una base; en seguida procedimos a colocar la llave de paso, la misma

que es de gran importancia para lograr el modelamiento al que queremos llegar, es decir,

demostrar la formación del flujo laminar y el flujo turbulento.

Como paso siguiente se procedió a unir las jeringuillas y las agujas con las respectivas

mangueras, lo cual nos permitirá la inyección de un líquido de color diferente al líquido base,

logrando observar el comportamiento de las partículas de los líquidos en movimiento.



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Procedimiento:

1. Con la llave de paso cerrada dejamos que se llene completamente hasta alcanzar unvolumen de 20,7 litros el líquido excedente será eliminado por el rebosadero de esta

manera se asegura un volumen constante.2. Una vez lleno nuestro recipiente se procede a poner tinta en la jeringa para el fin que

vamos a realizar.3. Empezamos a girar la llave para regular el caudal de agua e inyectamos la tinta para

poder observar el comportamiento del flujo.4. Después de que se ha establecido un régimen hidráulico iniciamos el conteo en un

cronometro; acto seguido tomamos medida del volumen que salió por la llavedurante este tiempo determinado.

5. Luego de haber tomado los datos procedemos a realizar los cálculos para clasificarel flujo según el régimen hidráulico.

Toma de datos:

= ∗

= ∆ ∆

= ∆ ∆ ∗

Por lo tanto determinamos el número de Reynolds:

= ∗



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Cálculo:

Con la llave de paso abierta totalmente:

= 14,68 ∗ (0,0127) = 0,4216

= 0,0254 ∗ 0,42161,306 ∗10− = 8199,57

Con la llave de paso apenas abierta:

= 0,559,54 ∗(0,0127) = 0,01267

= 0,0254 ∗ 0,012671,306 ∗ 10− = 324,792



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METODOLOGÍA:

Los métodos usados para la recolección de información de este proyecto, fueron la

investigación científica, el análisis y entendimiento de la información recolectada, y finalmente

la experimentación y demostración de lo investigado.

Dentro de la investigación científica, usamos varios recursos, tales como páginas web,

documentos de páginas web, artículos, libros, entre otros con el fin de obtener conocimientos

básicos, generales y detallados acerca de nuestro tema de investigación. También se puede

decir que nos basamos en conocimientos ya adquiridos en el aula de clases con nuestro docente,

lo cual nos fue de mucha ayuda para tener una visión clara de a donde tratamos de llegar.

Dentro del análisis y entendimiento de la información recolectada, se usó como recurso el

debate entre los integrantes del grupo de trabajo, pudiendo así dar nuestras opiniones

personales acerca de cada uno de los puntos tratados, para al final llegar a un acuerdo sobre la

información que utilizaríamos en nuestro trabajo como marco teórico.

Para la experimentación y demostración de lo investigado, se procedió de igual manera

mencionada en primer lugar, es decir, mediante investigaciones en páginas web, libros, etc.,

logramos dar con varias opciones mediante las cuales podríamos representar nuestra

investigación (marco teórico), y de la misma manera que la anterior, mediante un debate se

llegó a un acuerdo sobre cuál sería la opción más factible para realizar nuestra maqueta.



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CONCLUSIONES:

Para la correcta comprensión y entendimiento de los diferentes temas analizados en este

proyecto, se tuvo que analizar una gran cantidad de bibliografía, con el fin de que todas las

ideas sean tomadas en cuenta.

El análisis realizado sobre los tipos de flujos, es un tema muy importante en nuestra carrera,

ya que casi en la totalidad de obras que vayamos a realizar, necesitaremos analizar los mismos

y así saber cuáles son las mejores condiciones que debemos darle al fluido (tipos de tuberías,

diámetros, etc.); con esto evitaremos sanciones posteriores debido a la mala ejecución de

nuestras obras.

Se observó que el número de Reynolds es un factor fundamental en la ingeniería hidráulica,

ya que este es el que nos indica que tipo de flujo es el que estamos manejando y si este es el

adecuado para la respectiva acción que estemos realizando.

Con la ayuda de la maqueta, se busca lograr una mejor comprensión del tema, tanto para

nosotros como investigadores como para todas las personas que observen el funcionamiento

de la misma, lo cual si se logró, al igual que se logró representar en la maqueta algo que

podremos encontrar en nuestra vida cotidiana como futiros profesionales.



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ANEXOS (FOTOGRAFÍAS DE LA MAQUETA):



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BIBLIOGRAFÍA:

Anónimo. (2014). nebrija.es. Obtenido de

https://www.nebrija.es/~cmalagon/Fisica_Aplicada/transparencias/03-Fluidos/12_-

_fluidos_reales.pdf

Anónimo. (14 de junio de 2015). Wikipedia, La enciclopedia libre. Obtenido de

https://es.wikipedia.org/wiki/Flujo_laminar

Chow, V. T. (1982). Hidráulica de los canales abiertos. ISBN.

E., C. L. (22 de agosto de 2011). BuenasTareas. Obtenido de

http://www.buenastareas.com/ensayos/Flujo-Transicional/2654658.html

García, Á. F. (2010). Física con ordenador . Obtenido dehttp://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/dinamica/viscosidad/viscosidad.htm

Giles, R. V., Evett, J. B., & Liu, C. (1994). Mecánica de los Fluidos e Hidráulica. Aravaca

(Madrid): McGraw-Hill Interamericana de España, S. A. U.

Gonzales, M. (2011.). Dinamica Clasica.

Hall, P. (19997.). Hidraulica. Mexico.

Montes, Y. G. (01 de agosto de 2014). prezi. Obtenido de

https://prezi.com/515qfv1taive/clasificacion-de-los-fluidos/POTTER, M. C. (1995.). Mecanica de Fluidos.

SOTELO AVILA, G. (1980.). Hidraulica General. Limusa.

Terrón, E. N. (09 de septiembre de 2013). SlideShare. Obtenido de

http://es.slideshare.net/edya69/clasificacion-de-fluidos-de-fluidos

Torres, J. (n/a). urg.es. Obtenido de http://www.ugr.es/~jtorres/t7.pdf

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