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MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO
Tema A1a. Diseño Mecánico: Diseño de Equipo
Diseño y construcción de un equipo para visualizar el comportamiento de los fluidos en regímenes laminar y turbulento
Fernando Iturbide Jiménez a, Alberto Antonio García
b, Álvaro Jesús Mendoza Jasso c, Agustín
Santiago Alvarado d, Adán Antonio Ramírez
e.
a Universidad Tecnológica de la Mixteca, Instituto de Diseño, Carr a Acatlima Km 2.5, Huajuapan de León, Oax. CP. 69000, México
bUniversidad Tecnológica de la Mixteca, Instituto de Electrónica y Mecatrónica, Carr a Acatlima Km 2.5, Huajuapan de León, Oax. CP. 69000, México
cUniversidad Tecnológica de la Mixteca, Jefatura de Ingeniería Industrial, Carr a Acatlima Km 2.5, Huajuapan de León, Oax. CP. 69000, México
dUniversidad Tecnológica de la Mixteca, División de Estudios de Posgrado, Carr a Acatlima Km 2.5, Huajuapan de León, Oax. CP. 69000, México
eUniversidad Tecnológica de la Mixteca, Ingeniero en Mecatrónica, Carr a Acatlima Km 2.5, Huajuapan de León, Oax. CP. 69000, México
RESUMEN
En este trabajo, se presenta el diseño y la construcción de un equipo experimental para visualizar el comportamiento del flujo
de fluidos en los regímenes: laminar, en transición y turbulento; así como medir y observar el número de Reynolds respectivo
de cada flujo. El equipo fue diseñado partiendo de las leyes básicas de los fluidos; tales como la conservación de la masa,
conservación de la cantidad de movimiento y la conservación de la energía. Los cálculos analíticos se validaron
numéricamente empleando el método de elementos finitos (MEF), para lo cual se utilizó el software Ansys en sus plataformas
APDL y Workbench. Las herramientas Solidworks para el diseño conceptual y Catalist de Stratasys para la impresión 3d. Así
mismo, se implementó el hardware para la etapa de medición de la velocidad del flujo, la temperatura y el cálculo del número
de Reynolds.
ABSTRACT
In this work, the design and construction of an experimental equipment to visualize the fluid flow behavior in the laminar,
transition and turbulent regimes is presented; As well as, its able to measure and display the respective Reynolds number of
each flow. The equipment was designed from the basic laws of fluids; Such as mass, momentum and energy conservation.
The analytical calculations were numerically validated using the finite element method (FEM), for which the Ansys
software was used in its APDL and Workbench platforms. Solidworks tools for conceptual design and Stratasys Catalist for
3d printing. Also, hardware was implemented for the step of measuring the flow velocity, temperature and Reynolds number
calculation.
Palabras clave: Flujos, número de Reynolds, Mecánica de Fluidos, CAD/CAM/CAE.
INTRODUCCION
El flujo de un líquido o de un gas en tuberías se usa
comúnmente en sistemas de calefacción, enfriamiento y en
redes de distribución de fluidos. Un sistema de tuberías
típico incluye tuberías de diferentes diámetros, unidas entre
sí mediante varias uniones o codos para dirigir el fluido,
válvulas para controlar la razón de flujo y bombas para
presurizar el mismo. Aunque la teoría de flujo de fluidos se
entienda de manera razonable, las soluciones teóricas se
obtienen sólo para pocos casos simples, como el flujo
laminar totalmente desarrollado en un tubo circular. Por lo
tanto, la teoría se debe apoyar en resultados experimentales
y relaciones empíricas para la mayoría de los problemas de
flujo de fluidos, más que en soluciones analíticas
exclusivamente. Es importante observar el comportamiento
de los fluidos a distintas velocidades para poder
comprender de manera clara los fenómenos que ocurren en
los fluidos. Dicho comportamiento es predicho por el
número de Reynolds.
Para el desarrollo de este sistema se empleó la metodología
de Karl T. Ulrich y Steven D. Eppinger la cual consiste en
La propuesta y construcción del diseño final y todos los
componentes se presenta en la figura 15.
Figura 15. Equipo Construido
En la figura 16 se aprecian los detalles de cada uno de los elementos que conforman el sistema de visualización de fluidos.
Figura 16: Vista de detalles de algunos elementos del equipo:
a) contracción gradual, b) gabinete, c) soporte de la tubería de
visualización y d) aguja de inyección de tinta.
Para el diseño del hardware se tiene los siguientes componentes [15,16,17,18,19]:
Figura 17. Diseño del diagrama electrónico para la adquisición y
procesamiento de la información.
3. Pruebas y resultados del equipo Como habíamos expuesto anteriormente uno de los
objetivos del sistema fuera que se pudieran observar los
fenómenos de los fluidos en sus diferentes regímenes como
se muestra en la figura 18
Figura18. Ejemplos de flujos: a) Laminar, b) transición y
c) turbulento.
Se realizaron pruebas con rangos de números de Reynolds mínimos y máximos de, los que se muestran a continuación en la figura 19.
Figura 19 a) flujo laminar a Reynolds de 1399, b) transitorio a
Reynolds de 1481, c) turbulento a Reynolds de 1978 y d)
turbulento a Reynolds de 4533.
Por otro lado, fue posible observar la distribución de velocidades en la sección transversal de la tubería. Se puede observar el efecto de la condición de no deslizamiento y cómo las partículas de tinta cercanas a las paredes de la tubería se pegan a la pared, adquiriendo velocidad de 0 m/s.
MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO
Conclusiones
Durante los experimentos se observó que el trabajo con
fluidos es muy delicado y debe ser muy preciso, bajo
condiciones de trabajo controladas, sobre todo en el rango
de (1000 < Re < 10000). En cambio, a velocidades bajas (Re < 1000) el flujo se
mantiene laminar independientemente de las
perturbaciones que puedan existir. El equipo fue diseñado
para obtener números de Reynolds de hasta 23000, sin
embargo, en los experimentos realizados se observó que
para fines didácticos no es necesario observar números de
Reynolds tan altos. Este trabajo tiene la finalidad de
observar el comportamiento del flujo de fluidos, así como,
reproducir los experimentos de Osborne Reynolds [20]
realizados en 1883, objetivo que fue alcanzado.
La medición de la velocidad del flujo presenta un error de excatitud de ±10% asociado al medidor de velocidad. La frecuencia de operación de 16 MHz configurada para el microcontrolador reduce el error, realizando un sensado con suficiente rapidez, ya que la frecuencia máxima de los pulsos del sensor son de 75 Hz, cumpliendo con el teorema de muestreo. Con la caracterización realizada se logró medir números de Reynolds entre 800 y 23000 como era lo esperado.
REFERENCIAS
[1] White, Frank M. Mecánica de Fluidos. Sexta Edición.
McGraw Hill. 2013.
[2] Cengel, Y. A.; Cimbala, J. M. Mecánica de Fluidos,
fundamentos y aplicaciones. Segunda Edición. McGraw
Hill. 2008.
[3] Mott, Robert L. Mecánica de Fluidos. Sexta Edición.
Prentice Hall. 2006.
[4] Streeter, Victor L. Mecánica de los Fluidos. Cuarta
Edición. McGraw-Hill. 1972.
[5] Rao, Singiresu S. The Finite Element Method in