visualización de flujo
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Visualización de Flujo
Ana Paula Costa Alume1, Aquiles Andrés Suarez Asan2, Christian Paul Rebutti Paladines3, Jimmy Andrés Escandón Feijóo4
1Estudiante, Escuela Superior Politécnica del Litoral, [email protected], Escuela Superior Politécnica del Litoral, [email protected], Escuela Superior Politécnica del Litoral, [email protected], Escuela Superior Politécnica del Litoral, [email protected]
Resumen
En este informe presentamos los fundamentos teóricos y el procedimiento sobre visualización de flujo, ya que mediante este experimento podemos observar de una manera más clara y real las líneas de corriente en flujo vertical que atraviesan los modelos que están sujetos a la pared posterior del túnel de humo, las mismas que van a experimentar variaciones a lo largo de su trayectoria, las cuales analizaremos en diferentes modelos usados durante la práctica. Las líneas de humo son introducidas en el flujo de aire desde el generador de humo y podremos manipular su velocidad para observar su comportamiento en sus distintas fases.
Palabras claves: visualización de flujo, líneas de flujo, flujo vertical.
1. IntroducciónEn esta práctica vamos a visualizar a través del túnel de humo las líneas de flujo que pasarán a través de él debido a la combustión del kérex, El equipo muestra las líneas de corriente en flujo vertical que pasa alrededor de los modelos que están sujetos a la pared posterior del túnel. Las líneas de humo son introducidas en el flujo de aire desde el generador de humo. A estas Líneas de flujo podremos manipular su velocidad para visualizar óptimamente con cada modelo propuesto y finalmente sacar conclusiones de su comportamiento.
2. Objetivos
2.1. General Observar la distribución de las líneas
de corriente mediante el esfuerzo de corte por mínimo que sea este.
2.2. Específico Reconocer los vórtices en las líneas
de flujo.
3. Fundamentos teóricos
FluidoSe denomina fluido a un tipo de medio continuo formado por alguna sustancia entre cuyas moléculas sólo hay una fuerza de atracción débil. Por otra parte, podemos decir que todo fluido posee viscosidad, y ya que siendo nula su velocidad en una superficie, se deben presentar gradientes de velocidad y por lo tanto esfuerzos cortantes deberán estar presentes dentro de dicho flujo, afectando al movimiento.
Líneas de flujo Las líneas de flujo son partículas que siguen trayectorias definidas, son también líneas imaginarias continuas que denota cada uno de sus puntos la dirección del vector velocidad del fluido. (Hugo Medina Guzmán).
Estas líneas nunca se cruzan una con otra dentro de un flujo estable. Si escogemos un grupo de estas líneas se la denomina “tubo de flujo”, las fronteras de este son líneas de corriente.
Hay diferentes flujos de fluidos como: estacionario y no estacionario, uniforme y no uniforme, laminar o irrotacional, turbulento o rotacional, compresible e incompresible y por últimos tenemos viscosos y no viscosos.
Capa límiteEs la región inmediatamente adyacente a la superficie sólida donde se presentan los esfuerzos cortantes. El tamaño de la capa límite, para una velocidad dada de la corriente libre, depende de las propiedades del flujo en particular.
Fenómeno de separaciónEste se produce por una diferencia en el gradiente de presión del fluido en la superficie de un cuerpo, lo que origina que en determinado punto se separe el fluido del contorno del cuerpo, el cual se llama punto de separación.
Flujo rotacionalEs aquel en el cual el campo rotacional v adquiere en algunos de sus puntos valores distintos de cero, para cualquier instante.
Punto de estancamientoEn la dinámica de fluidos, un punto de estancamiento es un punto en un campo del flujo donde la velocidad local del fluido es el cero. Los puntos de estancamiento existen en la superficie de objetos en el campo del flujo, donde el fluido se trae para descansar por el objeto.Gradiente de presiónEl cambio producido en la presión por unidad de profundidad, expresado normalmente en unidades de psi/pie o kPa/m.
Líneas de corrientesAquella familia de curvas que para cada instante de tiempo son las envolventes del campo de velocidades. En mecánica de fluidos se denomina línea de corriente al lugar geométrico de los puntos tangentes al vector velocidad de las partículas de fluido en un instante determinado.
Esfuerzo cortanteEl esfuerzo cortante, de corte, de cizalla o de cortadura es el esfuerzo interno o resultante de las tensiones paralelas a la
sección transversal de un prisma como por ejemplo una viga o un pilar.
4. Procedimiento
Llene la botella del generador de humo con Kérex hasta 2/3 de capacidad, ajuste el nivel de la superficie del líquido a la línea correspondiente.
Conectar el túnel y el generador de humo.
Después de tres minutos el humo es producido y controlado por una abrazadera colocada en la tubería flexible.
Ajustar la velocidad del aire y el suministro de humo a fin de dar filamentos claros de humo alrededor del modelo.
Observar la distribución de las líneas de corriente del área de separación del flujo para los modelos que se vayan a utilizar.
5. Gráficos y análisis de observaciones
GRÁFICO 1
Para este caso utilizamos un codo recto y podemos observar como ascienden las líneas de corriente en las sección 1 sin ser deformadas, una vez que llegan a la sección 2, es decir donde se encuentra la capa límite, se vana presentar esfuerzos cortantes, se puede observar en esta sección el punto de estancamiento que es donde incide el flujo, vemos como se produce un flujo rotacional, es decir que su campo rotacional es diferente de cero, En esta capa límite va a ver una disminución de la presión. En la sección 3 debido a que un elemento de fluido de la capa límite experimenta una fuerza de presión neta en dirección al flujo superior al esfuerzo cortante podemos ver como se mantiene en movimiento las capas de fluidos adyacentes a la superficie del sólido, alcanzan el reposo y vemos como el flujo se separa de la superficie a esto llamamos punto de separación o desprendimiento, aquí va a ver una separación relativamente baja conocida como estela, aquí también hay un desbalance neto de la fuerza de presión en la dirección del flujo dando como resultado un arrastre debido a la presión sobre el cuerpo. En la sección 4 pasa algo parecido que en la 2 ya que el flujo impacta con la capa límite con lo que vemos que en el punto de estancamiento hay
turbulencia en el flujo y se produce una disminución en la presión y un desbalance en la dirección del flujo.
GRÁFICO 2
En este caso usamos un codo con curvatura. En la sección 1 vemos una entrada del flujo sin sufrir deformaciones ni cambio en su dirección mientras que en la sección 2 cuando el flujo comienza a entrar en la curvatura vemos que fluye sin turbulencias y que no hay un punto de incidencia que lo afecte significativamente por lo que va a ver una disminución de la presión menor que en el codo del gráfico 1. En la sección 3 vemos como el flujo se dirige ligeramente hacia el punto de separación en donde hay una presión baja. En la sección 4 se presenta una turbulencia mas ligera que en el codo 1 ya que este codo pose una curvatura que va a ser que haya una menor disminución en la presión del flujo.
GRÁFICO 3
En este caso utilizamos un codo suavizado con deflectores. En la sección 1 podemos observar que las líneas de flujo entran con suavidad sin variar la dirección y una vez que llegan a la sección 2 podemos observar continuidad y relativamente menos turbulencia que en otros codos gracias al fuselado que reduce el gradiente de presión adversa ya que lo distribuye a una mayor distancia, también vemos como el fuselado retrasa el punto de separación y la fuerza cortante total es incrementada, por lo que el flujo al dirigirse a la sección 3 vemos que el arrastre total se ve reducido significativamente. En esta sección existe lo que conocemos como punto de separación. En la sección 4 vemos como hay un punto de estancamiento en donde hay disminución en la presión del flujo.
6. Conclusiones y RecomendacionesConclusiones
La geometría del accesorio es un factor influyente en el comportamiento de las líneas de corriente
Se logró comprobar que cuando la energía cinética es menor que la
fuerza generada por el fluido ocurre el punto de separación, ya que el fluido tiende a irse de una zona de mayor presión a una de menor presión. Lo que se puede identificar claramente en las líneas del humo en cada objeto
Los puntos de turbulencia son puntos de presión baja.
Las líneas de flujo que parten juntas, tienen que encontrarse al final sin importar el recorrido que haya tenido cada una.
Una línea de flujo que hace un mayor recorrido, experimenta una mayor velocidad.
Recomendaciones
Utilizar correctamente la variación de velocidad que ofrece el túnel de humo para poder visualizar de una mejor manera las líneas de flujo.
Utilizar mandil y mascarilla, aunque el kerex no sea tóxico.
Los objetos que tengan acabados suaves reducen la turbulencia y, por lo tanto, existe disminución de pérdidas de presión
7. Observaciones
Ajustar la velocidad del aire permite una mejor visualización de las líneas de corriente en cada objeto.
8. Bibliografía Física General de Fluidos. Hertz. Guía de laboratorio de mecánica
de fluidos. Ing. Mijaíl Arias Hidalgo.
Cengel, Y.,Cimbala,J.(2006),“Mecánica de fluidos, Fundamentos y Aplicaciones”, McGraw-Hill,México D.F. ,México.
