Flujo Laminar y turbulento

1. Instituto Tecnológico de Mexicali
Ingeniería Química
Materia:
Laboratorio Integral I
Tema:
Práctica
Detección de flujo laminar y turbulento
Integrantes:
Nombre del profesor
Norman Edilberto Rivera Pazos
Mexicali, B.C. a 9 de febrero de 2015
Aranda Sierra Claudia Janette
Castillo Tapia Lucero Abigail
Cruz Victorio Alejandro Joshua
De La Rocha León Ana Paulina
Guillén Carvajal Karen Michelle
Lozoya Chávez Fernanda Viridiana
Rubio Martínez José Luis
12490384
11490627
12490696
11490631
12940396
12490402
12490417

2. 1
Índice
Práctica
Título: “Detección de flujo laminar y turbulento”
Objetivo 2
Introducción 2
Marco teórico 3
Flujo laminar 3
Flujo turbulento 4
Flujo en transición 4
Flujo laminar o turbulento 5
Número de Reynolds 5
Reactivos 6
Material y equipo 6
Procedimiento 7
Responsabilidades 9
Cálculos 9
Evidencias 11
Análisis 11
Observaciones 11
Conclusión 11
Bibliografía 11

3. 2
Práctica III
Título:
“Detección de flujo laminar y turbulento”
Objetivo:
Observar e identificar las diferencias en el comportamiento de los perfiles de velocidad para flujos
laminares y turbulentos mediante dos prototipos desarrollados por el equipo, permitiendo obtener
evidencias de dichos perfiles.
Objetivos específicos:
 Desarrollo de dos prototipos que sean capaces de producir los comportamientos deseados.
 Capacidad para generar flujos que sean laminares como turbulentos.
 Diferenciar los perfiles de velocidad.
 Comprobar teóricamente los resultados utilizando el número de Reynolds.
Introducción
Cuando dos partículas que se mueven a diferentes velocidades se manifiestan fuerzas de fricción
que actúan tangencialmente a las mismas. En ese mismo instante, las partículas comienzan a
rotar por dichas fuerzas, pero a la vez la viscosidad trata de impedir ese movimiento.
Dependiendo del valor de las fuerzas se producen diferentes estados de flujo.
Cuando la diferencia de velocidades es baja, entonces las fuerzas inerciales son mayores que
las de fricción y de esta forma las partículas no rotan sino sedesplazan. Si se llegara a dar dichos
giros serían con muy poca energía. Es así como las partículas siguen una trayectoria definida.
Este tipo de flujo fue identificado por O. Reynolds y se denomina “laminar”.
Al aumentar el gradiente de velocidad se incrementa la fricción entre las partículas y el fluido, y
estas adquieren una energía de rotación apreciable, la viscosidad pierde su efecto, y debido a la
rotación las partículas cambian de trayectoria. Al pasar de unas trayectorias a otras, las partículas
chocanentre sí y cambian de rumbo en formaerrática y a este tipo de flujo sele llama “turbulento”.

4. 3
Fundamento teórico
Los fluidos pueden ser líquidos o gases y al movimiento de estos se le llama flujo. Este flujo
involucra las leyes de la física, las propiedades del fluido y características del medio ambiente o
conducto por el cual fluye. Los flujos se pueden clasificar de distintas maneras, atendiendo al
cambio y dirección que sufren las partículas debido al espacio recorrido, al cambio de velocidad,
dirección y posición de las partículas respecto al tiempo. Un flujo viscoso puede ser clasificado
como laminar o turbulento.
Flujo laminar
Es aquel en el que el movimiento de las partículas tiene solamente el sentido y la dirección de
movimiento principal del fluido; éste es perfectamente ordenado, estratificado, suave, de manera
que el fluido se mueve en láminas paralelas sin mezclado significativo pero con esfuerzos
cortantes viscosos significativos si la corriente tiene lugar entre dos planos paralelos.
Se puede presentar en conductos cerrados, o abiertos. El mecanismo de transporte es
exclusivamente molecular. Se dice que este flujo es aerodinámico. En el flujo aerodinámico, cada
partícula de fluido sigue una trayectoria suave, llamada línea de corriente. Otra manera de verlo,
es que cuando las fuerzas de inercia del fluido en movimiento son muy bajas, la viscosidad es la
fuerza dominante y el flujo es laminar.
Si en un fluido laminar se inyectara un colorante, el flujo no se mezclaría con el fluido cercano
excepto por actividad molecular, por lo que, conservará su identidad durante un lapso de tiempo
relativamente largo.

5. 4
Flujo turbulento
Es aquel en el que las partículas del fluido tienen desplazamiento en sentidos diferentes al del
movimiento principal del fluido. El flujo varía irregularmente de modo que sus cantidades
muestran una variación aleatoria. En este tipo de flujos al moverse las partículas con movimiento
errático tienen como consecuencias el que se presenten colisiones entre ellas (se incrementa la
fricción entre las partículas vecinas), y esto genera cambios en la cantidad de movimiento, los
cuales se manifiestan como una pérdida de energía y en movimiento rotatorio.
En un flujo turbulento los movimientos del fluido varían irregularmente de tal suerte que las
cantidades tales como velocidad y presión muestran una variación aleatoria con el tiempo y las
coordenadas espaciales.
Un colorante inyectado en un flujo turbulento se mezclará de inmediato por la acción del
movimiento aleatorio de sus partículas; rápidamente perderá su identidad en este proceso de
difusión.
Cuando predominan las fuerzas de inercia que la viscosidad, el flujo es turbulento.
Flujo en transición
Es aquel donde las líneas de flujo empiezan a pasar de un estado laminar a turbulento. Las líneas
de flujo ya no son paralelas, si no ondulares, ordenadas de una manera semiestratificada y con
un mezclado leve. Las líneas de flujo se encuentran más desordenadas en el centro del flujo que
aquellos cercanos a las paredes.

6. 5
Un colorante inyectado en un flujo en transición conservara una línea ondulatoria que al principio
del flujo mantendrá su identidad pero se ira mezclando conformeavance el flujo en el contenedor.
Laminar o turbulento
La razón por la cual un flujo puede ser laminar o turbulento tiene que ver con lo que sucede a una
pequeña perturbación del flujo. Una perturbación del flujo puede incrementar o disminuir su
tamaño. Si una perturbación del flujo en un flujo laminar se incrementa (es decir, el flujo es
inestable), el flujo puede llegar a ser turbulento; si la perturbación disminuye, el flujo permanece
laminar.
El paso de flujo laminar a turbulento es un fenómeno gradual, inicialmente se produce turbulencia
en la zona central si se lleva a cabo en un tubo donde la velocidad es mayor, pero queda una
corona de flujo laminar entre las paredes del tubo y el núcleo central turbulento.
Al aumentar la velocidad media, el espesor de la corona laminar disminuye gradualmente hasta
desaparecer totalmente. Esta última condición se consigue a altas velocidades cuando se
obtiene turbulencia total en el flujo. Por lo que para obtener un flujo laminar se debe de disminuir
la velocidad de flujo.
Número de Reynolds
El régimen de flujo depende de tres parámetros físicos que describen las condiciones de flujo. El
primero es una escala de longitud del campo de flujo, tal como el espesor de una caja límite o el
diámetro de un tubo. Si la escala de longitud es suficientemente grande, una perturbación del
flujo puede incrementarse y el flujo puede llegar a ser turbulento. El segundo es una escala de
velocidad tal como un promedio espacial de la velocidad; con una velocidad suficientemente
grande el flujo puede llegar a ser turbulento. El tercero es la viscosidad cinemática; con una
viscosidad suficientemente pequeña el flujo puede llegar a ser turbulento.
Los tres parámetros se pueden combinar en uno solo que puede servir como herramienta para
predecir un régimen de flujo. Esta cantidad es el número de Reynolds. Dicho parámetro es
adimensional y se define como:
𝑅𝑒 =
v𝐿
𝜈
Donde L y v son una longitud y velocidad características, respectivamente, y 𝜈 es la viscosidad
cinematica; por ejemplo, un flujo por un tubo, L sería el diámetro y V la velocidad promedio.

7. 6
Comúnmente esta expresado de la siguiente manera, ya que la viscosidad cinemática se define
como:
𝑅𝑒 =
v𝐷𝜌
𝜇
; 𝜈 =
𝜇
𝜌
Si el número de Reynolds es relativamente pequeño, el flujo es laminar; si es grande, el flujo es
turbulento. Esto se formula con más precisión definiendo un numero de Reynolds crítico,𝑅𝑒 𝑐𝑟𝑖𝑡,
de modo que el flujo es laminar si 𝑅𝑒 < 𝑅𝑒 𝑐𝑟𝑖𝑡.
El flujo también puede ser intermitentemente turbulento y laminar; en ese caso se le llama flujo
intermedio o flujo estacionario. Estefenómeno ocurrecuando el número de Reynolds se aproxima
al valor crítico.
Experimentalmente se ha encontrado que en tubos de sección circular cuando el número de
Reynolds pasa de 2400 seinicia la turbulencia en la zona central del tubo, sin embargo este límite
es muy variable y depende de las condiciones de quietud del conjunto. Para números de
Reynolds mayores de 4000 el flujo es turbulento.
Al descender la velocidad se encuentra que para números de Reynolds menores de 2100 el flujo
es siempre laminar, y cualquier turbulencia que se produzca es eliminada por la acción de la
viscosidad.
Reactivos:
Nombre tradicional Observación
Agua De la llave
Tinta Negro o azul
Material y equipo:
Cant. Nombre Observaciones
1 Probeta 1000 ml
1 Cronometro

8. 7
1 Vernier
2 Manguera 1 m longitud, transparente, diámetro de 1 in y
1/8 in (o menor si existiera)
2 Jeringa 5 ml y 10 ml
1 Varilla Cualquier material, mínimo 1 metro de longitud
2 Cincho
1 Cartulina Color blanco
--/-- Silicón Como sellador
Extra (2,3) Colador metálico
1 Llave de paso
1 Acoplador
1 Botella De 5 a 10 litros máximo
Procedimiento:
a) Prototipo I
1. Comprobar los diámetros de las mangueras con un vernier.
2. Conectar la manguera de 1 pulgada a una toma de agua.
3. Amarrar la varilla a la manguera con ayuda de los cinchos para que se mantenga
extendida y tensa.
4. Abrir un agujero a la manguera de 1 pulgada tal que pueda entrar la manguera de 1/8.
El agujero debe abrirse en cercanía del extremo de la varilla más próxima a la toma de
agua. Sellar con silicón.
5. Abrir la llave de paso y medir el caudal. El caudal se mide tomando el tiempo (con un
cronómetro) necesario para que una probeta de 1 L se llene.
6. Realizar los cálculos de número de Reynolds para determinar el tipo de flujo.
7. Comprobar el tipo de flujo inyectando colorante a la manguera de 1/8 de pulgada con
una inyección sellada al otro extremo de la manguera y observar el perfil de velocidad
que toma el colorante en la manguera de 1 pulgada. Para que sea más claro el flujo,
se colocaran hojas blancas en el lado inferior o trasera de la manguera de acuerdo a
como lo estemos viendo.
8. Abrir mayormente la llave si en el primer caso se observó un flujo laminar, si no es así,
entonces disminuir la velocidad de flujo al cerrar un poco la llave.
9. Repetir pasó 7 y 8.

9. 8
b) Prototipo II
1. Comprobar los diámetros de las mangueras con un vernier.
2. Abrir un agujero a la botella donde se pueda colocar la manguera de diámetro de 1
pulgada. Al colocarla sellar con silicón.
3. Conectar la llave de paso al otro extremo de la manguera utilizando un acoplador.
4. Colocar la manguera de 1/8 de pulgada por la boca de la botella hasta la unión entre la
botella y la manguera de 1 pulgada. Pegar con silicón para mantener fijo. Conectar el
otro extremo de la manguera a una toma de agua.
5. Llenar la botella con agua. (Mantener la altura del agua constante). Abrir la toma de
agua conectada a la manguera de 1/8 de pulgada y mantenerla a flujo constante.
6. Abrir la llave de paso y medir el caudal. El caudal se mide tomando el tiempo (con un
cronómetro) necesario para que una probeta de 1 L se llene.
7. Realizar los cálculos de número de Reynolds para determinar el tipo de flujo.
8. Comprobar el tipo de flujo inyectando colorante a la manguera de 1/8 de pulgada y
observar el perfil de velocidad que toma el colorante en la manguera de 1 pulgada.
9. Abrir mayormente la llave si en el primer caso se observó un flujo laminar, si no es así,
entonces disminuir la velocidad de flujo al cerrar un poco la llave.
10. Repetir pasó 7 y 8.
c) Prototipo III
1. Comprobar el diámetro de la aguja de la inyección con un vernier.
2. Poner agua en un vaso de precipitado de 1000 ml.
3. Poner encima del vaso de precipitado un colador de metal con el fin de colocar la aguja
de la inyección de 5 ml en uno de los orificios estando por debajo de la capa superficial
del agua y sellar con silicón para que no se mueva.
4. Poner un peso conocido sobre la jeringa con el fin de que este empuje el embolo y
descargue la tinta en el agua. Para que sea más claro el flujo, se colocara una hoja
blanca de un lado del vaso de precipitado.
5. Tomar el tiempo en que la tinta ha sido descargada y observar el comportamiento.
6. Poner más tinta por la parte superior de la jeringa, para que después se le coloque otro
objeto con un peso mayor sobre el embolo si en el primer caso se observó un flujo
laminar.
7. Repetir paso 5.

10. 9
Responsabilidades
Traer material
Botella y jeringas.-Viridiana
Mangueras.- Joshua o Karen
Varilla, cinchos, llave de paso y acoplador.- Joshua o José Luis
Tinta.- Paulina
Cronometro.- José Luis
Silicón y pistola.- Abigail o Viridiana
Realización
Supervisores.- Joshua y Karen
Coordinador.- Joshua y Karen
Armar prototipo.-Todos
Medir tiempo.-José Luis
Aviso de llenado de probeta.- Abigail
Abrir llaves.- Janette y Paulina
Observación de flujo.- Todos
Apuntar resultados.- Karen
Limpieza.- Aleatorio
Cálculos, resultados y gráficas
Fórmula
𝑅𝑒 =
v𝐷
𝜈
Como
Velocidad Flujo volumétrico Área
v =
𝑄
𝐴
Q =
𝑉
𝑡 𝐴 =
𝜋𝐷2
4
Entonces:
𝑅𝑒 =
Q𝐷
𝐴𝜈
⇒ 𝑅𝑒 =
V𝐷
𝐴𝑡𝜈
⇒ 𝑅𝑒 =
4V
𝜋𝐷𝑡𝜈
Mismo formato para Prototipo I y II
Primer intento
Volumen 1000 𝑚𝑙 1𝑥10−3 𝑚3

11. 10
Diámetro manguera
Viscosidad a 25℃ 0.893 𝑚2
𝑠⁄
Tiempo
Reynolds 𝑅𝑒 =
4( )
𝜋( )( )( )
Flujo__________________
Segundo intento
Volumen 1000 𝑚𝑙 1𝑥10−3 𝑚3
Diámetro manguera
Viscosidad a 25℃ 0.893 𝑚2
𝑠⁄
Tiempo
Reynolds 𝑅𝑒 =
4( )
𝜋( )( )( )
Flujo__________________
Prototipo III
Primer intento
Volumen 5 𝑚𝑙 5𝑥10−6 𝑚3
Diámetro aguja
Viscosidad a 25℃ 0.893 𝑚2
𝑠⁄
Tiempo
Reynolds 𝑅𝑒 =
4( )
𝜋( )( )( )
Flujo__________________
Segundo intento
Volumen 5 𝑚𝑙 5𝑥10−6 𝑚3
Diámetro aguja

12. 11
Viscosidad a 25℃ 0.893 𝑚2
𝑠⁄
Tiempo
Reynolds 𝑅𝑒 =
4( )
𝜋( )( )( )
Flujo__________________
Evidencias
Fotografías
A continuación se mostrarán las evidencias de la instalación del prototipo
Fotos de flujo laminar
Fotos de flujo turbulento
Video
El video se podrá observar en el blog, que se encuentra adjunto a este documento.
Análisis
Observaciones
Conclusiones
Bibliografías
Fuentes de libros
 Mott Robert. (2006). “Mecánica de fluidos”. Pearson. 6 ed.
 Geankoplis, Christie J. (2004). “Procesos de transporte y operaciones unitarias”.
Ed.Perentice Hall. 3ra Edición.
 Streeter, V. L. y E. B. Wylie. (1988). “Mecánica de los fluidos”. McGraw-Hil / Interamericana
de México, S.A., México.
Fuentes electrónicas
 http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/laminar_turbulento.htm

13. 12
 http://tesis.ipn.mx/xmlui/bitstream/handle/123456789/6754/1809_EVALUACION%20DEL
%20ESFUERZO%20CORTANTE%20EN%20LA%20PARED%20PARA%20UN%20FLU
JO%20TURBULENTO,%20EMPLEANDO%20LA%20TECNICA%20LASER%20PIV.pdf?
sequence=1
 https://alojamientos.uva.es/guia_docente/uploads/2012/389/51453/1/Documento3.pdf
 http://www.ugr.es/~jtorres/t7.pdf