Año De La Integración Nacional Y El Reconocimiento De Nuestra Diversidad UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL Curso: MECÁNICA DE FLUÍDOS II Docente: Ing. Hugo Rojas Rubio Ciclo: VII Grupo: G-1 Alumnos: Fournier Pais Analí Iparraguirre Rodriguez Moreno Saavedra Rodríguez Velásquez Kervin Soriano Ipanaqué Ángel Nuevo Chimbote-Áncash-Perú Julio del 2012
este es un laboratorio en un canal de pendiente variable, se calcula el santo en esquí y el flujo variado
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Año De La Integración Nacional Y El Reconocimiento De Nuestra Diversidad
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
Curso:
MECÁNICA DE FLUÍDOS II
Docente:
Ing. Hugo Rojas Rubio
Ciclo:
VII
Grupo:
G-1
Alumnos:
Fournier Pais Analí
Iparraguirre Rodriguez
Moreno Saavedra
Rodríguez Velásquez Kervin
Soriano Ipanaqué Ángel
N u e v o C h i m b o t e - Á n c a s h - P e r ú
J u l i o d e l 2 0 1 2
PRÁCTICA DE LABORATORIO Nº 2
AFORADORES DE CAUDAL:
VERTEDERO DE CRESTA ANCHA, DE CRESTA
AFILADA Y SALTO ESQUÍ
I. OBJETIVO:
Verificar en el laboratorio las mediciones del caudal mediante
aforadores.
Calcular los caudales es tipos diferentes de vertederos.
Calcular la longitud del salto tipo esquí.
II. FUNDAMENTO TEÓRICO:
1.1 VERTEDORES:
Es la estructura hidráulica por encima de la cual se realiza la
descarga de un líquido a superficie libre. Los vertedores de
pared delgada están conformados por una placa con una
arista muy fina. Este tipo de estructuras se utilizan como
dispositivos de aforo en laboratorios o en canales de
pequeñas dimensiones.
El punto o arista más bajo de un vertedor se conoce como
cresta (w), mientras que el desnivel que existe entre la
superficie libre del agua, aguas arriba del vertedor, y su
cresta, se conoce como carga hidráulica (H ó h).
En la figura 7.1 se muestran las características que presenta el
paso de un gasto por encima de un vertedor de pared
delgada.
La ecuación general de los vertedores de pared delgada es:
Q = mkhn
Donde:
Q : es el gasto que pasa por encima del vertedor
H : la carga hidráulica ejercida sobre el mismo.
Los coeficientes m y k involucran una serie de
consideraciones relacionadas con la geometría del
vertedor, el efecto de la fuerza de gravedad y factores
hidrodinámicos relacionados con la posición del vertedor
dentro de la pared que contiene el líquido vertido. Por otra
parte, el exponente n depende directamente del tipo de
vertedor.
7 Hubert Chanson, Hidráulica de flujo. Pág. 358
1.2 Cresta
La cresta de un vertedero de descarga usualmente se diseña para
maximizar la capacidad de caudal de la estructura, es decir para
pasar en forma segura el caudal de diseño con un costo mínimo.
Para las descargas efectuadas con la carga del proyecto, el agua se
desliza sobre la cresta sin interferencia de la superficie que limita y
alcanza casi su eficiencia máxima de descarga.
Las secciones de las crestas cuya forma se aproxima a la de la
superficie de la lámina que sale por un vertedor en pared delgada
(Figura 2.2), constituye la forma ideal para obtener óptimas
descargas. La forma de esta sección depende de la carga,
inclinación de la cara de aguas arriba de la sección vertedora sobre
el piso de canal de llegada (que influye en la velocidad de llegada a
la cresta). 25
1.3 Rápida
Una vez que el flujo de agua pasa la cresta, el fluido es acelerado por
la gravedad a lo largo de la rápida. La aceleración dependerá de la
inclinación de la misma.
En la rápida el flujo se desarrolla con velocidades que se van
incrementando en proporción directa a , pudiendo alcanzar tensiones
de corte mayores a las que puede resistir el material con el que está
construido.
Se observa que la superficie del agua, después de un recorrido liso en
un principio, comienza a absorber aire a partir de un punto
determinado. La turbulencia del flujo es responsable del proceso de
formación de la mezcla agua-aire (Figura 2.3).
Si el agua escurriendo libremente, rompe contacto con la superficie
del vertedor, se forma un vacío en el punto de la separación,
pudiendo ocurrir la cavitación.
Las rápidas más comunes son las lisas y escalonadas (Figura 2.4 y
Figura 2.5). Ocurre una mayor disipación de energía en vertederos
con rápidas escalonadas comparado con rápidas lisas.
Es ideal que la pendiente de la rápida no sea superior a 1:4 (H:V),
75.96 grados.
1.4 Disipadores de Energía
Cuando el agua que pasa por el vertedor de demasías cae del nivel
del embalse al nivel del río aguas abajo, la carga estática se
convierte en energía cinética. Esta energía se manifiesta en la forma
de altas velocidades que si se trata de disminuirlas producen grandes
presiones. Por lo tanto, generalmente deben disponerse medios que
permitan descargar el agua en el río sin erosiones o socavaciones
peligrosas en la presa y que no produzcan daño en las estructuras
adyacentes.
En algunos casos, la descarga se puede hacer a altas velocidades
directamente en la corriente en la que sea absorbe la energía a lo
largo del cauce por impacto, turbulencia y rozamiento (trampolines).
Este método es satisfactorio cuando existe roca firme con tirantes de
poca profundidad en el canal.
Cuando no se puede tolerar la erosión, se puede hacer un estanque
artificial para la formación del resalto, construyendo una presa auxiliar
aguas debajo de la estructura principal o excavando un estanque
que se recubra de concreto.
El paso del agua desde el embalse hasta el tramo aguas abajo
involucra varios fenómenos hidráulicos, se puede considerar cinco
etapas en el proceso de disipación de energía, algunas de las cuales
pueden estar combinadas o ausentes:
1. Sobre la superficie del vertedero
2. En el chorro de caída libre
3. En el Impacto en el pozo aguas abajo
4. En el resalto hidráulico
5. En el afluente del río
La disipación de energía en vertederos de demasías se alcanza
principalmente al resalto hidráulico que se produce luego del impacto
del agua en el tanque de amortiguación.
1.5 SATO ESQUÍ:
Cuando la descarga de los vertedores puede hacerse
directamente sobre el río, el chorro se proyecta lejos de la
estructura por medio de un deflector terminal o trampolín. El
agua en estas estructuras sale como un chorro libre y cae en el
cauce a una distancia del extremo del vertedor. La trayectoria
del chorro depende de la energía del flujo en el extremo y del
ángulo con el que el chorro sale del trampolín.
Esta se hace directamente sobre el río. Se utilizan unos
trampolines para hacer saltar el flujo hacia un punto aguas
abajo reduciendo así la erosión en el cauce y el pie de la presa.
En este sistema, la energía es disipada por tres acciones, por el
contacto aire-agua (parte de la energía es disipada en el aire),
por la turbulencia del agua y por la fricción del flujo con el
cauce del río.
Este tipo de disipación de energía hidráulica se utiliza para
grandes descargas, permitiendo importantes ahorros en sitios
donde las condiciones geológicas y morfológicas sean
favorables.
a. Salto Esquí Sumergido.
Se utiliza para grandes descargas, principalmente en los
vertederos. Ésta se hace directamente sobre el río. Se
utilizan unos trampolines para hacer saltar el flujo hacia un
punto aguas abajo reduciendo así la erosión en el cauce y
el pie de la presa. La trayectoria del chorro depende de la
descarga, de su energía en el extremo y del ángulo con el
que sale del trampolín. Su funcionamiento se ve con la
formación de dos remolinos uno en la superficie sobre el
trampolín y el otro sumergido aguas abajo; la disipación
de la energía se hace por medio de éstos.
La trayectoria del chorro de descarga puede calcularse
con la ecuación:
Donde:
xy = Coordenadas de un sistema cartesiano con origen en
el labio de la cubeta.
α= ángulo que forma el labio de la cubeta con la
horizontal.
Se recomienda que el ángulo de salida a no sea mayor de
30°. Además, con objeto de evitar presiones en la plantilla,
los radios de la cubeta deben ser grandes; se sugieren las
siguientes condiciones:
Donde:
R = Radio de la cubeta deflectora, m.
d= Tirante a la salida, m.
v= Velocidad de salida, m/s.
La profundidad límite del pozo de socavación se puede
calcular con las ecuaciones de Veronese, 1983:
Donde:
ds = Profundidad máxima de socavación abajo del nivel
de aguas del remanso, m.
HT = Caída desde el máximo nivel del chorro hasta el nivel
de remanso, m.
q= Gasto unitario, m3/s.
El funcionamiento hidráulico de este tipo de disipador se
manifiesta por la formación del resalto hidráulico en la
superficie del esquí.
El uso de los disipadores esquí sumergido puede ser
perjudicial debido al desgaste que produce en las
superficies de concreto, causado por el material que
regresa a lo largo del borde del deflector debido al
remolino en el fondo.
b. Salto Esquí Estriado.
Este tipo de disipador contiene estrías en el deflector
obligando a separar el agua, el chorro de alta velocidad
sale del borde con un ángulo menor, y solamente parte
del chorro de alta velocidad va a dar a la superficie. De
esta forma se produce una turbulencia menor en la
superficie del vertedero, evitando así su erosión10. Este tipo
de disipador es más eficiente que el disipador esquí liso, ya
que la corriente de agua es dividida por las estrías
acelerando la dispersión de energía, el disipador tipo esquí
estriado puede o no ser sumergido dependiendo las
profundidades del cauce.
1.5. Determinación de fórmula para hallar el coeficiente de
los vertederos de cresta ancha:
ÁBACO PARA CALCULAR µ
III. MATERIALES Y EQUIPOS
1. CANAL DE PENDIENTE VARIABLE:
Dimensiones (según descripción técnica):
Base = 8.6 cm.
Longitud= 2.5 m.
Altura del canal= 30 cm.
Datos adicionales (según descripción técnica):
Pendiente = -0.5 % a + 3 %
Caudal = 0 m3/h a 10 m3/h
Partes (según descripción técnica):
Imagen extraída del sitio web GUNT.DE
1) Tanque con capacidad de 280 L hecho de plástico
reforzado con fibra de vidrio.
2) Rotámetro (medidor de caudal) 0 m3/h-10m3/h
3) Bomba impelente de acero inoxidable.
4) Panel de encendido, apagado, y apagado de
emergencia
5) Manija para control de pendiente.
6) Cámara disipadora.
7) Canal con paredes transparentes.
8) Elemento de entrada.
2. PALPADOR DE NIVEL
Sirve para medir el nivel de agua a lo largo del canal de ensayo. El sistema de medida se puede desplazar a lo largo de todo el canal y fijarse, mediante los bornes de sujeción, en una posición determinada para realizar las medidas requeridas.
3. VERTEDOR DE CRESTA ANCHA
Sirve para medir el caudal del canal de pendiente variable, y posee una terminación para el salto esquí.
4. VERTEDOR DE CRESTA AFILADA
Sirve para medir el caudal del canal de pendiente variable, y ayudará a producir el perfil del flujo gradualmente variado.
5. MICRO CORRENTÓMETRO:
Nos ayudara a obtener las velocidades en los puntos que
querremos, teniendo en cuenta que no ocurra ningún
atrapa miento de aire, pues modificaría la medición
6. PIE DE REY:
Este instrumento nos ayudará a tener medidas más
precisas de las dimensiones del canal.
IV. PROCEDIMIENTOS:
1. Encender el equipo y establecer un caudal manipulando el
rotámetro.
2. Fijar una pendiente para el canal mediante la manija de
control de inclinación.
3. Tomar medidas de la longitud del canal y todas las que sean
necesarias.
4. Seguir los siguientes pasos para los ensayos correspondientes:
PROCEDIMIENTO PARA EL DISIPADOR TIPO SALTO DE ESQUÍ
1. Aforar el modelo (m3/s)
Encender el equipo y
mediante la manija de
control de inclinación fijar
una pendiente, del mismo
modo, establecer un
caudal con ayuda del
rotámetro, tomar nota de
la pendiente y del caudal,
una vez hecho esto,
colocar el disipador tipo
salto de esquí y fijarlo a la
base.
2. Medir los tirantes inicial y subsecuente del salto hidráulico.
(m)
Seguidamente medir el tirante a una distancia de 4 veces la
carga hidráulica sobre la cresta, aguas arriba de esta y al
pié de salto de esquí del agua formada por el disipador;
tomar nota de los tirantes.
3. Medir las velocidades.
Para comparaciones posteriores con los cálculos, con
ayuda del correntómetro, medir las velocidades en los
puntos donde se midieron los tirantes y en donde sea
necesario.
4. Medir la longitud en proyección horizontal desde el tirante
inicial del salto hidráulico, hasta el tirante subsecuente. (m)
PROCEDIMIENTO PARA EL VERTEDERO DE PARED DELGADA
1. Realizar el aforo del
canal, previo a esto se
deben anotar las medidas
del vertedero para futuros
cálculos.
2. Medir profundidades del
flujo a lo largo del canal,
esto se hace con ayuda
del limnímetro o palpador
de nivel cada cierta
distancia partiendo del
vertedero.
3. Medir la longitud del perfil.
V. CÁLCULOS Y RESULTADOS
1. RECTIFICACIÓN DEL CAUDAL CON LA FÓRMULA DE VERTEDERO
DE CRESTA ANCHA.
Datos:
Caudal real del vertedero = 2 m3/h
Carga del vertedero (h) = 2.2 cm
Cresta del vertedero (l) = 8.6 cm
Formula del vertedero:
Reemplazando valores:
2. LA RECTIFICACIÓN DEL CAUDAL CON LA FÓRMULA DE
VERTEDERO CRESTA AFILADA.
Formula del vertedero:
Dónde: n = número de contracciones
Reemplazando valores: (n = 0, por no tener ninguna