F1 20 BAC014 4a Pratica Ensaio de Reynolds

F1 20 BAC014 4a Pratica Ensaio de Reynolds

(Parte 1 de 2)

Índice

Demonstração de Osborne Reynolds

Manual de Instruções F1-20

EDIÇÃO 5 Maio de 2011

Visão Geral
Diagramas de Equipamento
Descrição
Posicionamento do Acessório
Tubo de Entrada
Tubo de Visualização de Fluxo
Válvula de Controle de Fluxo
Reservatório de Corante e Injeção de Corante
Instalação
Advertência
Processo de Instalação
Especificações do Equipamento
Condições Ambientais
Exercícios de Ensino Laboratorial
Índice para Exercícios
Nomenclatura
Viscosidade Cinemática da Água na Pressão Atmosférica
Exercício A

Índice

Visão Geral

A mecânica dos fluidos foi desenvolvida como uma disciplina analítica a partir da aplicação das leis da estática, dinâmica e termodinâmica para as situações nas quais os fluidos podem ser tratados como meio contínuo. As leis particulares envolvidas são as de conservação de massa, energia e de momento e, em cada aplicação, essas leis podem ser simplificadas na tentativa de escrever quantitativamente o comportamento do fluido.

O módulo de serviço de bancada hidráulica, F1-10, fornece as instalações necessárias para suportar uma faixa compreensiva de modelos hidráulicos, cada qual sendo projetado para demonstrar um aspecto particular da teoria hidráulica.

O modelo específico que relacionamos para esse experimento é o Aparato de Osbourne Reynold F1-20. Esse é um experimento clássico que consiste em uma visualização do comportamento de vazão por injeção de corante em um fluxo estável dento de um tubo. Uma descrição completa do equipamento é fornecida posteriormente nos textos que se seguem.

Diagramas de Equipamento

Figura 1: Aparato de Demonstração de Osborne Reynolds F1-20

Parafuso de ajuste de altura

Tanque coletor Funil de entrada

Tubo de entrada Seção de teste

Pés ajustáveis

Reservatório de corante

Tubo de saída

Válvula de controle de fluxo de corante

Tubo hipodérmico

Extravasor

Esferas de vidro Válvula de controle de fluxo

Manual de Instruções Armfield Descrição

Quando necessário, consulte os desenhos na seção Diagramas de Equipamentos.

Posicionamento do Acessório

O acessório foi projetado para ser posicionado nas bordas de cada um dos lados do canal no topo da bancada hidráulica.

Tubo de Entrada

O tubo de entrada é conectado entre a alimentação da bancada e a base do tanque de nível constante, onde esferas de vidro nivelam o fluxo.

Tubo de Visualização de Fluxo

O tubo de visualização de fluxo é equipado com um funil, o que promove uma entrada suave no tubo.

Válvula de Controle de Fluxo

A vazão pelo tubo é regulada por meio de uma válvula de controle de fluxo. Durante o uso, essa válvula deve estar voltada para o tanque volumétrico. Uma tubulação flexível curta conectada à válvula impedirá respingos.

Reservatório de Corante e Injeção de Corante

O corante contido no reservatório é injetado dentro do tubo através de um tubo hipodérmico. O fluxo do corante é controlado por uma válvula e sua posição é ajustada por meio de um parafuso.

Instalação

Processo de Instalação

Remova os componentes com cuidado da embalagem de papelão. Guarde a embalagem para uso posterior.

Lave as esferas de vidro, o funil de entrada e a parte interna do tanque de nível constante com água morna contendo algumas gotas de agente umectante. Adicione a água com agente umectante no tubo de fluxo de vidro vertical.

Monte a funil de entrada na parte superior do tubo de fluxo dentro do tanque de nível constante. Encha o tanque de nível constante com as esferas e recoloque a tampa no tanque.

Instale o equipamento em uma superfície horizontal firme ao longo da Bancada Hidráulica F1-10. A superfície deve ser livre de vibrações para uma visualização satisfatória do fluxo.

Utilizando um nível de bolha (não fornecido) no tubo de fluxo de vidro, nivele o equipamento ajustando os pés na placa de base. O tubo de fluxo de vidro deve ficar na posição vertical para uma operação correta.

Conecte o tubo de entrada flexível no lado da caixa dissipadora ao conector de liberação rápida no leito do canal.

Coloque a extremidade livre do tubo flexível a partir do extravasor na caixa dissipadora

Operação através do extravasor no lado do tanque volumétrico (a água em excesso do acessório de nível constante deverá retornar diretamente para o poço e não para o tanque volumétrico).

Conecte o tubo de escoamento na válvula de controle de fluxo de saída do equipamento e prenda a ponta desse tubo em uma posição fixa acima do tanque volumétrico, deixando espaço suficiente para a inserção do cilindro de medição.

Nota: O movimento da extremidade do tubo de escoamento durante um teste resultará em alterações na taxa de vazão do volume, o que é ocasionado pela diferença de altura entre a superfície do tanque coletor e o ponto de escoamento.

Abra completamente a válvula de controle de fluxo. Feche a válvula de controle de fluxo da bancada e, em seguida, ligue a bomba de serviço.

Abra gradualmente a válvula de controle de fluxo da bancada e permita que a caixa dissipadora possa encher-se com água até que esta flua sobre o funil de entrada e desça até o tubo de fluxo de vidro.

Abra e feche a válvula de controle de fluxo de saída até que o tubo de fluxo possa encherse com água e nenhuma bolha de ar esteja presente.

Feche a válvula de controle de fluxo de saída e a válvula de controle de fluxo da bancada.

O corante para visualização do fluxo é fornecido em estado de pó para maior conveniência de transporte. O sachê de pó deve ser colocado em uma garrafa plástica fornecida e então 1 litro de água de torneira limpa deve ser adicionado. Recoloque a tampa da garrafa plástica e agite vigorosamente o conteúdo para misturar o pó.

Encaixe a agulha hipodérmica no injetor de corante empurrando a agulha sobre o conector Luer.

Abasteça o reservatório de corante com água contendo algumas gotas de agente umectante (para limpar o reservatório e as agulhas hipodérmicas antes de utilizar o corante). Abra o controle de vazão de corante e verifique se a água goteja regularmente da agulha hipodérmica. Qualquer bloqueio deve ser removido retirando-se a agulha de assoprando-a.

Quando a agulha estiver livre, dispense a água e conecte o reservatório de corante na tampa do tanque de nível constante. Ajuste a altura do reservatório de corante até que a ponta da agulha hipodérmica fique disposta dentro do funil.

Feche a válvula de controle de fluxo de corante e encha o reservatório com o corante pronto. Abra a válvula de controle de fluxo da bancada. Quando o tanque de nível constante estiver cheio até que o extravasor abra a válvula de controle de vazão de saída na base do tubo de fluxo de vidro. Ajuste a válvula de controle de fluxo da bancada de modo a manter uma pequena vazão pelo extravasor.

Abra a válvula de controle de fluxo de corante até que uma vazão estável de corante flua junto com a água pelo tubo de fluxo de vidro. Em uma baixa taxa de vazão (fluxo laminar), o corante permanecerá em um fio único, em uma alta taxa de vazão (fluxo turbulento) o corante se difundirá na água devido à natureza aleatória do fluxo.

O Aparato de Demonstração de Osborne Reynolds F1-20 está pronto para uso.

Manual de Instruções Armfield Operação do Equipamento

Abastecimento do Reservatório de Corante

Verifique se a válvula de controle de corante está fechada. Adicione corante ao reservatório de corante até que ele fique cerca de dois terços cheio.

Escorva do Sistema de Injeção de Corante

Instale a agulha hipodérmica no reservatório de corante. Mantenha o conjunto de corante sobre um poço e abra a válvula para verificar a vazão livre do corante. Use o acessório stylus fornecido para limpar a agulha se uma vazão estável de corante não puder ser alcançada

Montagem do Sistema de Injeção de Corante

Monte o injetor de corante no tanque de nível e baixe o injetor até que sua saída fique logo acima do funil de entrada e centralizado em seu eixo.

Visualização do Fluxo Constante utilizando o Corante

Com a válvula de controle de fluxo do equipamento ligeiramente aberta e a válvula da bancada ajustada para produzir um lento escorrimento pelo tubo de sobrefluxo, ajuste a válvula de controle de corante até alcançar uma vazão lenta com indicação de corante transparente.

Visualização do Perfil de Velocidade Utilizando o Corante

Para observar o perfil de velocidade em fluxo laminar, feche a válvula da bancada e abra a válvula de controle de corante para depositar uma gota de corante na entrada do funil. Quando a válvula de controle de saída estiver aberta, observe o corante conforme sua dispersão tome um perfil parabólico tridimensional.

Especificações do Equipamento

Condições Ambientais

Este equipamento foi projetado para operar nas condições ambientais a seguir. A operação fora dessas condições pode resultar em desempenho reduzido, danos no equipamento ou perigo para o operador.

cTemperatura de 5°C a 40°C;

a. Uso interior; b. Altitude até 2000 m; d. Umidade máxima relativa de 80% para temperaturas de até 31°C, com redução linear para 50% da umidade relativa em 40°C; e. Flutuações de tensão da rede de alimentação elétrica de até ±10% da tensão nominal; f. Sobretensões transitórias tipicamente presentes na REDE DE ALIMENTAÇÃO elétrica;

NOTA: O nível normal de sobretensões transitórias é impulso suportável (sobretensão) de categoria I do IEC 60364-4-443; g. Grau de poluição 2.

Normalmente, somente poluição não condutiva ocorre. Ocasionalmente, condutividade causada por condensação pode ser esperada. Típico de um ambiente de laboratório ou escritório.

Exercícios de Ensino Laboratorial

Índice para Exercícios Exercício A

Nomenclatura Nome Unidade Símbolo Tipo Definição

Diâmetro do tubo de ensaio m d Fornecido

Diâmetro da seção do tubo de ensaio O diâmetro é medido em m. Converta em metros para o cálculo.

Volume Coletado

V Medido

O volume do fluido coletado no cilindro de medição. O volume é medido em ml. Converta em metros cúbicos para o cálculo (divida a leitura por 1.0.0).

Tempo para Coleta s t Medido

Tempo levado para coletar o volume conhecido de água no cilindro de medição.

Temperatura da Água ºC Medido

A temperatura da água saindo da seção de teste.

Viscosidade

Cinemática m² /s

Medido Ver Tabela

Taxa de Fluxo m³/s

Qt Calculado

Velocidade cm/s u Calculado

Velocidade do fluido através do tubo

Reynolds

Número

Re Calculado v = Taxa de Fluxo

Área do Tubo

Volume Coletado Tempo de Coleta

Operação Viscosidade Cinemática da Água na Pressão Atmosférica

Dados Técnicos

As seguintes dimensões do equipamento são adotadas nos cálculos apropriados. Se necessário, essas válvulas podem ser verificadas como parte do procedimento experimental e substituídas com suas próprias medições.

Diâmetro do tubo de ensaio d = 0.010 m Área de corte transversal do tubo de ensaio A = 7.854 x 10-5 m2

TemperaturaViscosidade Temperatura Viscosidade

Cinemática Cinemática

Exercício A

Objetivo Observar o fluxo laminar, transicional e turbulento do tubo.

Método

Visualização do comportamento de vazão por injeção de corante em um fluxo estável dento de um tubo. Esse é um experimento clássico e foi realizado pela primeira vez por Osborne Reynolds no século dezenove.

Equipamentos Exigidos Para completar a demonstração, são necessários alguns equipamentos.

• A Bancada Hidráulica F1-10 permite medirmos o fluxo pela coleta de volume por tempo.

• O Aparato de Reynolds F1-20.

• Um cronômetro para podermos determinar a taxa de fluxo da água (não fornecido).

• Termômetro (não fornecido).

Teoria

Um fluxo pode se comportar de maneiras bastante distintas dependendo de quais forças predominam dentro dele. Fluxos lentos são dominados por forças viscosas, tendem a ser bem ordenados e previsíveis, sendo descritos como laminares. No fluxo de tubo laminar, o fluido se comporta como se camadas concêntricas (laminae) estivessem deslizando um sobre o outro com uma velocidade máxima no eixo, velocidade zero na parede do tubo e uma distribuição de velocidade parabólica. O corante cuidadosamente injetado em um ponto em um fluxo de tubo laminar será alargado pelo fluxo de modo a formar uma linha claramente bem definida. A única mistura que pode ocorrer é por difusão molecular.

Aumentando-se substancialmente a taxa de fluxo alterará o comportamento do fluxo drasticamente, já que a inércia do fluido (devido à sua densidade) se torna mais significante do que as forças viscosas; isso então é um fluxo turbulento. No fluxo de tubo turbulento, o corante injetado em um ponto é rapidamente misturado por causa do movimento lateral substancial no fluxo e o comportamento do corante aparenta ser caótico. Esses movimentos aparecem aleatoriamente e surgem a partir do crescimento das instabilidades no fluxo. O comportamento detalhado é impossível de ser previsto, exceto em termos estatísticos.

Existe um estágio intermediário, o fluxo transicional, no qual um jato de corante aparenta vaguear e apresentará rajadas intermitentes de mistura, seguidos por um comportamento mais laminar.

O número Reynolds, Re, fornece um modo útil de caracterizar o fluxo, sendo definido como:

onde "v" é a viscosidade cinemática, "u" é a velocidade média dada em termos da taxa de fluxo do volume e "d" é o diâmetro do tubo.

Exercício A

É prática comum tomar um número Reynolds de 2.0 com valor que divide o fluxo laminar do fluxo turbulento. Entretanto, isso não leva em conta a região de transição e isso também pode ser possível (com extremo cuidado) manter um fluxo laminar para números Reynolds de até 10.0 ou mais. Além disso, os fluxos de tubo com número Reynolds inferior a 1.800 são inerentemente laminares.

Montagem do Equipamento

Posicione o aparato de Reynolds sobre uma superfície fixa e livre de vibrações (não na bancada hidráulica) e certifique-se de que a base está na horizontal, ou seja, com a seção de teste na vertical. Instale a o funil de entrada e adicione as esferas com cuidado no tanque coletor, colocando-as manualmente. O funil e as esferas produzem um fluxo de entrada para a seção de teste com um baixo nível de distúrbios.

Conecte a conexão de escoamento da bancada no tubo de entrada do tanque coletor. Conecte o extravasor do tanque coletor ao tanque volumétrico da bancada hidráulica. Conecte o tubo de escoamento na válvula de controle de fluxo do equipamento e prenda a ponta desse tubo em uma posição fixa acima do tanque volumétrico, deixando espaço suficiente para a inserção do cilindro de medição.

Nota: O movimento da extremidade do tubo de escoamento durante um teste resultará em alterações na taxa de vazão do volume, o que é ocasionado pela diferença de altura entre a superfície do tanque coletor e o ponto de escoamento.

Ligue a bomba. Abra um pouco a válvula de controle de fluxo do equipamento e, em seguida, abra a válvula da bancada e deixe o sistema ser abastecido com água. Verifique particularmente se o tubo de visualização de fluxo está abastecido corretamente. Uma vez que o nível da água no tanque coletor atingir o tubo extravasor, ajuste a válvula de controle da bancada para produzir uma baixa taxa de extravasão.

Verifique se a válvula de controle de corante está fechada. Adicione corante ao reservatório de corante até que ele fique cerca de dois terços cheio. Instale a agulha hipodérmica. Mantenha o conjunto de corante sobre um poço e abra a válvula para verificar a vazão livre do corante. Use o acessório stylus fornecido para limpar a agulha se uma vazão estável de corante não puder ser alcançada. Monte o injetor de corante no tanque de nível e baixe o injetor até que sua saída fique logo acima do funil de entrada e centralizado em seu eixo.

Ajuste a válvula da bancada e a válvula de controle de fluxo do equipamento para retornar a taxa de extravasão para um escorrimento lento (se necessário) e então deixe o equipamento em repouso durante pelo menos cinco minutos antes de proceder.

(Parte 1 de 2)

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