Flujo Laminar y Turbulento


Introducción
El flujo es un fluido real mucho más complejo que 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 de fluido. Como consecuencia, los problemas de flujos reales se resuelven aprovechando datos experimentales y utilizando métodos empíricos.Para poder comprender por completo el comportamiento de un fluido, se necesitan determinar un gran número de características o parámetros que, juntos y/o individualmente, proporcionan datos muy importantes obtenidos a partir de consideraciones por demás significativas. Dentro de todos aquellos parámetros probablemente uno de los más sencillos de calcular y, por consiguiente, que puedeproporcionar información rápida del tipo de flujo que se desarrolla, es el número de Reynolds. Este último es fundamental para comprender las características del flujo, ya sea laminar o turbulento, y siendo ambos flujos el centro de las experimentaciones del presente laboratorio, que pretende modelar el comportamiento de los flujos al interior de tuberías.
Objetivos
1.1 Estudiar las pérdidas decarga en tuberías, para régimen laminar y régimen turbulento.
1.2 Estudiar la distribución de las velocidades en las tuberías para ambos regímenes.
Marco Teórico
1) Flujo Laminar y Flujo Turbulento:
El esfuerzo cortante tiene una dependencia fundamental del tipo de flujo: laminar o turbulento. En el caso del flujo laminar, el factor dominante es la viscosidad. Las diferentes capas delfluido discurren sin mezclarse, ordenadamente. En el flujo turbulento, la fluctuación tridimensional de la velocidad de las partículas, es decir, la turbulencia, origina un fuerte intercambio de masa, cantidad de movimiento y energía en el fluido, lo que da unas características especiales a este tipo de flujo.
El número de Reynolds es la relación de la fuerza de inercia sobre un elemento de fluido ala fuerza viscosa. La fuerza de inercia se desarrolla a partir de la segunda ley del movimiento de Newton. La fuerza viscosa se relaciona con el producto del esfuerzo cortante por el área.
Los flujos tienen números de Reynolds grandes debido a una velocidad elevada y/o una viscosidad baja, y tienden a ser turbulentos. Aquellos fluidos con viscosidad alta y/o que se mueven a velocidades bajas,tienen números de Reynolds bajos y tenderán a comportarse en forma laminar.

donde:
V Velocidad promedio del flujo.
μ Viscosidad Absoluta o Dinámica.
ρ Densidad del flujo.
v Viscosidad Cinemática.
D Diámetro del tubo.
Luego, si dos flujos tienen el mismo número de Reynolds, significa que su comportamiento será dinámicamente semejante.
Mediante experimentación se determinóque los flujos con:
Re  2000  Régimen Laminar.
Re = 2000  Régimen Crítico.
2000  Re  4000  Régimen de Transición.
Re  4000  Régimen Turbulento.

Figura 1. Flujo Turbulento y Flujo Laminar.
2) Ecuación de Darcy para calcular la pérdida de energía:
En la ecuación general de la energía:

al término hL se ledefine como la pérdida de energía en el sistema. Una componente de la pérdida de energía es la fricción en el fluido que circula. Para el caso del fluido en tuberías y tubos, la fricción es proporcional a la carga de velocidad del flujo y a la relación de la longitud al diámetro de la corriente. Esto se expresa en forma matemática como la ecuación de Darcy:

donde:
hL Pérdida de energíadebido a la fricción.
L Longitud de la corriente del flujo.
D Diámetro de la tubería.
v Velocidad promedio del flujo.
La ecuación de Darcy se utiliza para calcular la pérdida de energía debido a la fricción en secciones rectilíneas y largas de tubos redondos, tanto para flujo laminar como turbulento. La diferencia entre los dos flujos está en la evaluación del factor de fricción...