Flujo laminar y turbulento

UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL
ING.ALEJANDRO BENJAMIN GARCIA
ORTIZ
ÑAHUI BUENDIA CARLOS MIGUEL
FLUJO LAMINAR Y TURBULENTO

I. Planeación
Se estudiarán 2 tipos de flujos (laminar y turbulento) que serán sometidos a distintos
cuerpos: Cubo, Cilindro, ala de avión y perfil de un submarino.
Para ello primero se procederá a conseguir los siguientes materiales:
• Plancha de Acero (30x40cm)
• Solidos geométricas (cubo, cilindro, ala de avión y perfil de un
submarino)
• Agua
• Hilos de distintos colores
• Cinta Aislante
• Tinas o baldes
• Manguera
Los cuerpos con las formas geométricas designadas se posicionarán encima de la
plancha de acero que será inclinada aproximadamente unos 10° para luego dejar caer
el agua creando el flujo laminar y turbulento, viendo como tal se comporta.
II. Hipótesis
Flujo Laminar:
Los hilos se posicionarán de forma ordenada unos encima de otros o distribuidos en
capas casi paralelas entre sí sin cruzarse entre ellas.

Flujo Turbulento:
Los hilos tomaran direcciones aleatorias mezclándose entre sí dependiendo de
la intensidad que presentó el flujo al pasar por los costados de tales.
III. Objetivo
- Aprender sobre el efecto que tienen los flujos sobre las distintas formas que
pueden tener los objetos, como las alas de aviones, submarinos, barcos,
columnas en los puentes, etc.
- Observar e identificar como las líneas de flujo (representadas por los hilos) nos
muestra la diferencia entre un laminar y turbulento.
- Identificar la importancia de la dinámica de fluidos a través del régimen de flujo
laminar de transición y turbulento, mediante el uso de la densidad viscosidad y
velocidad del fluido para la determinación del número de Reynolds.
- Visualizar los flujos en diferentes regímenes de escurrimiento, diferenciando el
flujo laminar (flujo ordenado, lento) del flujo turbulento (flujo desordenado,
rápido).
IV. Fundamento Teórico

Flujo Laminar:
Se le llama flujo laminar al movimiento de un fluido cuando éste es ordenado y se
mueve en láminas paralelas sin entremezclarse. Suelen presentarse cuando el
fluido posee una velocidad lenta o una viscosidad alta.
Dicho eso podría conseguirse un flujo laminar con tan solo rociar el agua lentamente
de una manera uniforme.
Características de un flujo laminar:
- En un flujo laminar las moléculas del fluido se mueven según trayectorias
paralelas, formando un conjunto de láminas o capas.
- Las "laminas" del fluido que están en contacto con la superficie (interna) del
tubo tienen velocidad 0 (cero) porque la tubería no se mueve, a medida que te
alejas acercas hacia el centro las láminas tienen más velocidad.
Flujo Turbulento:

En el flujo turbulento las partículas se mueven sin seguir un orden establecido, en
trayectorias completamente erráticas.
El flujo turbulento se caracteriza porque el fluido continuamente se mezcla, de forma
caótica, como consecuencia de la ruptura de un flujo ordenado de vórtices, que afectan
zonas en dirección del movimiento. El flujo del agua en los ríos o el movimiento del aire
cerca de la superficie de la tierra son ejemplos típicos de flujos turbulentos.
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. Este tipo de flujo se caracteriza por trayectorias circulares erráticas,
semejantes a remolinos. El flujo turbulento ocurre cuando las velocidades de flujo son
generalmente muy altas o en fluidos en los que las fuerzas viscosas son muy pequeñas.
La turbulencia puede originarse por la presencia de paredes en contacto con el fluido o
por la existencia de capas que se muevan a diferentes velocidades. Además, un flujo
turbulento puede desarrollarse bien sea en un conducto liso o en un conducto rugoso.
También se presenta como tema de aplicación la turbulencia atmosférica y la dispersión
de contaminantes.

CARACTERÍSTICAS Y DESARROLLO
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.
La turbulencia según la definición de Taylor y von Kármán, puede producirse por el paso
del fluido sobre superficies de frontera, o por el flujo de capas de fluido, a diferentes
velocidades que se mueven una encima de la otra.
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.
Diferentes teorías han tratado de explicar el origen y la estructura de la turbulencia.
Algunas explican que la turbulencia es debida a la formación de vórtices en la capa
límite, como consecuencia de los disturbios que se generan por discontinuidades
bruscas existentes en la pared; mientras que otras teorías atribuyen la turbulencia a la
influencia del esfuerzo cortante, cuando se presenta un gradiente de velocidades con
discontinuidades bruscas. Sin embargo a pesar de las múltiples investigaciones, los
resultados obtenidos sobre el desarrollo de la turbulencia no son totalmente
satisfactorios, ya que solo pueden estudiarse experimental y teóricamente como un
fenómeno estadístico.
Cuando el flujo entra en régimen turbulento, se puede presentar el caso de que el
conducto sea liso o el caso de que el conducto sea rugoso.
Tubos lisos:

Se presentan tres subcapas:
- Subcapa viscosa: el movimiento es primariamente viscoso, aunque no es
estrictamente laminar y la velocidad varía linealmente. Esta subcapa es muy
difícil de observar bajo condiciones experimentales. Sin embargo su importancia
es decisiva para la determinación de las fuerzas de arrastre.
- Capa de transición: el flujo es turbulento, pero la viscosidad todavía ejerce su
influencia.
- Zona de turbulencia: se aplica la teoría de longitud de mezcla de Prandtl,
asumiendo que el flujo turbulento en una tubería está fuertemente influenciado
por el fenómeno del flujo cercano a la pared.
Factor de fricción para tubos lisos: donde los efectos de viscosidad predominan y el
factor de fricción depende únicamente del número de Reynolds.
Tubos rugosos:
Se presentan dos casos, según que el tamaño de la rugosidad sea o no mayor que el
espesor de las subcapas viscosas y de transición.
Factor de fricción para tubos rugosos:
- Si el tamaño de la rugosidad es mayor que el espesor de las subcapas viscosas
y de transición: la viscosidad no tendrá ningún efecto apreciable sobre el factor
de fricción, y este solo dependerá de la rugosidad relativa.
- Si el tamaño de la rugosidad es menor que el espesor de las subcapas viscosas
y de transición, se presenta el régimen de transición entre el movimiento
turbulento liso y turbulento rugoso, donde el factor de fricción depende del
número de Reynolds y de la rugosidad relativa.
TURBULENCIA ATMOSFÉRICA
La turbulencia atmosférica puede considerarse como la fluctuación al azar sobrepuesta
a los valores medios de una magnitud termodinámica medida en la atmósfera, como se
puede apreciar en la primera figura.

Existen varias teorías sobre el origen de la turbulencia, aunque las más aceptada es la
teoría de la estabilidad de los flujos laminares. El movimiento de un fluido puede
satisfacer todas las ecuaciones del movimiento y, sin embargo, ser inestable, es decir,
que las características del flujo experimentan cambios irreversibles cuando se introduce
una perturbación. Un flujo laminar puede pasar a turbulento como se indica en la
segunda figura. Estas capas paralelas y uniformes de un fluido (sin fricción mutua) se
mueven a diferentes velocidades (a). Si se introduce una perturbación en la zona de
contacto (b), la presión en el punto a ( Pa ) aumenta al disminuir la velocidad en este
punto, mientras que la presión en el punto b ( Pb ) disminuye al acelerarse el fluido en
el punto b.
El resultado es que la diferencia de presiones produce una fuerza neta que empuja al
fluido en la zona de contacto hacia el punto b. Esto acentúa aún más la perturbación de
la zona de contacto, se inicia la formación de torbellinos y la perturbación se termina
propagando a todo el fluido dando lugar a la creación de un flujo turbulento. La
turbulencia de un fluido puede visualizarse como un conjunto de torbellinos de diferente
escala que se superponen al flujo medio. Los torbellinos de mayor escala se fraccionan
en torbellinos de menor escala, en un proceso en el que existe transferencia de energía
y que finalmente termina en choques moleculares.
DISPERSIÓN TURBULENTA
La turbulencia es la causa que determina la dispersión de contaminantes en la
atmósfera.
Si consideramos una bolsa de contaminación emitida a la atmósfera el efecto de la
turbulencia se manifiesta así: los torbellinos o fluctuaciones turbulentas de escala más
grandes que la bolsa de contaminación la empujan, trasladan o sacuden al azar. Los
torbellinos de escala similar a la bolsa la estiran, la deforman y terminan por fraccionarla
en bolsas irregulares más pequeñas; éstas a su vez caen bajo la acción de los torbellinos
de escala más pequeña que las fraccionan y así sucesivamente, hasta que la acción de
la difusión molecular terminan el proceso. El efecto final es la dispersión de la
contaminación inicialmente concentrada en la bolsa.

Los resultados de estos modelos físicos de la turbulencia ponen en evidencia
que el grado de estabilidad de la atmósfera es el condicionante básico de la forma de
dispersión.
En la figura se puede observar que para el penacho de contaminación de una chimenea
existen tres formas de dispersión de la contaminación:
Si el perfil térmico de la atmósfera es estable el penacho de contaminación dispersa
lentamente en forma "tubular".
Si el perfil térmico es neutro el penacho dispersa en forma "cónica".
Si el perfil térmico es inestable el penacho dispersa en forma "serpenteante".
NUMERO DE REYNOLDS:
El comportamiento de un fluido depende del régimen del flujo, laminar o turbulento.
Número de Reynolds (Re) , Herramienta para determinar y predecir el tipo de flujo

Parámetro adimensional que depende de la densidad y viscosidad del fluido
analizado, la velocidad del mismo y una dimensión característica que depende del
sistema a analizar:
𝑅𝑒 =
ρ. V. L
µ
=
V. L
v
Dónde:
ρ:densidad del fluido (kg/m3)
V: velocidad media (m/s)
L : diámetro del tubo interno (m)
μ:viscosidad absoluta o dinámica del fluido (kg/m.s)
ν:viscosidad cinemática del fluido (m2/s)
Representa el cociente entre las fuerzas de inercia del flujo y las fuerzas debidas a la
viscosidad, y mide la influencia relativa de esta última.
Si Re ↑↑ Flujo tiende a ser turbulento (debido a altas velocidades o bajas
viscosidades)
Si Re ↓↓ Flujo tiende a ser laminar (debido a altas viscosidades o bajas densidades)
La expresión del número de Reynolds adopta diferentes formas para conductos
circulares o no circulares, canales abiertos o flujo alrededor de cuerpos inmersos.
𝑅𝑒 =
ρ.V.D
µ
=
ρ.V.4𝑅𝐻
µ
=
ρ.V∞.X
µ
ρ:densidad del fluido (kg/m3)
V: velocidad media (m/s)
D: diámetro interno del tubo (m)

μ:viscosidad absoluta o dinámica del fluido (kg/m.s)
ν:viscosidad cinemática del fluido (m2/s)
Números críticos de Reynolds Para flujo en conductos, el número de Reynolds adopta
la primera de las expresiones anteriores. Normalmente se trabaja con los siguientes
rangos:
Si Re ≤ 2000 Flujo LAMINAR
Si Re ≥ 4000 Flujo TURBULENTO
Si 2000 < Re < 4000 Región CRÍTICA (no es posible predecir el régimen del flujo).
Número crítico inferior de Reynolds: Valor del Reynolds por debajo del cual el régimen
es necesariamente laminar. Cualquier perturbación es amortiguada por la viscosidad
Se denomina velocidad característica a la velocidad por debajo de la cual toda
turbulencia es amortiguada por la acción de la viscosidad del flujo. En condiciones muy
controladas, se han llegado a conseguir flujos laminares para valores del número de
Reynolds mayores de 40000 (Re ≥ 40.000), sin embargo, para valores superiores a 4000
(Re ≥ 4000) cualquier pequeña perturbación provocaría un cambio de régimen laminar
a turbulento, sin que el efecto de la viscosidad pudiera amortiguar la turbulencia. Por
ello, este valor se suele considerar como en Límite superior del Número de Reynolds.
Para fluidos de pequeña viscosidad, o en genera, para valores grandes del número de
Reynolds, el movimiento del fluido suele estudiarse por separado en dos zonas
- Zona de espesor pequeño (capa límite): en la que el efecto de las fuerzas
viscosas es tan importante como el de las otras fuerzas.
- Zona de fluido libre: donde la influencia de la viscosidad es despreciable.

V. Datos Obtenidos durante el Laboratorio
Primero se optó por practicar la generación de flujos laminares con ayuda de una
manguera por donde saldría el agua lentamente. Y con un balde para generar el flujo
turbulento

Se prosiguió a generar los flujos con los objetos (con formas ya
mencionadas anteriormente) colocados sobre la plancha para poder observar cómo
actúa el flujo laminar y turbulento en las figuras respectivamente.
Círculo
Flujo Laminar:
Flujo Turbulento:

Cuadrado
Flujo Laminar:
Flujo Turbulento:

Rombo
Flujo Laminar:
Flujo Turbulento:

Ala de Avión
Flujo Laminar:

Flujo Turbulento:
Submarino
Flujo Laminar:
Flujo Turbulento:

VI. Observaciones
- En el flujo laminar los hilos se ordenaban de forma laminar y variaban
dependiendo del obstáculo que se encontrara encima de la plancha (como se
puede apreciar en las fotos adjuntas arriba).
- A pesar de que en el flujo laminar algunos hilos se enredaban, se pudo notar un
mayor orden que en el flujo turbulento.
- Con la presencia de un flujo laminar se pudo apreciar que los obstáculos con las
formas ya definidas no presentaban un desplazamiento muy grande, inclusive
algunas se quedaba en la posición con la cual iniciaron, mientras que con
el flujo turbulento las formas tendían a desplazarse dependiendo de la fuerza
con la que impactaban los flujos en ello
- En el experimento, el flujo laminar no es muy notorio, esto se debe porque al
usar la manguera para que caiga el agua tenemos que hacer que recorra toda la
plataforma.

VII. Recomendaciones
- Usar una superficie lisa, sin grietas o inclinaciones laterales para que el agua
fluya sin obstáculos, excepto las figuras que designamos.
- Mantener sujetada la plancha de acero para que, al echar el agua en ella, no
se caiga por el peso del agua.
- Colocar baldes alrededor para que el agua no se desperdicie al momento de
caer.
- Usar hilos de diferente color para poder distinguirlos si se enredan.
- Pegar los hilos por delante de la plancha, no por detrás, para que al impactar
el agua con un flujo turbulento no desvíe los hilos a los costados de forma
brusca.
- Se recomienda hacer la prueba con otros líquidos y se dará cuenta que los
flujos (turbulento y laminar) se pueden apreciar, ya que ello queda
demostrado con la propiedad de Reynolds (que depende de la viscosidad
del líquido).
VIII. Conclusiones
- Como era de esperarse, al aumentar la velocidad de flujo se pasa de un
régimen laminar a uno turbulento, y con consecuencia aumenta el número
de Reynolds y se observa la formación de vórtices.
- Los objetivos fueron satisfechos, pues no solo se obtuvieron resultados
adecuados, sino que se comprendió adecuadamente la relación de la
velocidad con el régimen de flujo y los efectos en el número de Reynolds.
- En este laboratorio pudimos comprobar experimentalmente el
comportamiento de los distintos tipos de flujos descritos teóricamente como
son: flujo laminar y flujo turbulento.
- La turbulencia no existe solo en el agua, sino también en el aire ya que
turbulencia es responsable de los intercambios de calor que, en la atmósfera
y en el océano, tienden a equilibrar la temperatura entre los polos y los
trópicos, y sin los que la vida en la Tierra sería imposible.

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