UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN CRISTÓBAL DE HUAMANGA E.F.P. INGENIERÍA CIVIL
LABORATORIO DE MECANICA DE FLUIDOS II (IC-338) VIERNES 17:00 - 19:00
LAB. 06: RESALTO HIDRÁULICO ALUMNOS: BARRIENTOS ANDÍA, Irbin GAMBOA CONTRERAS, LUIS GUILLERMO PRADO GUADALUPE, Luis RAMOS PALOMINO, Cristian Ayacucho - Perú
6 de Enero de 2016
INTRODUCCIÓN
El presente informe consiste en visualizar los tipos de resalto hidráulico y la aplicación de lo aprendido en clase. El objetivo de este trabajo es mostrar a través de pruebas experimentales como se puede medir el resalto hidráulico, el teórico y el práctico. Pero el paso inverso de régimen rápido al lento se produce de forma brusca, con una fuerte disipación de energía, que se manifiesta por un conjunto de remolinos, previos a la elevación del calado correspondiente al régimen lento. Este efecto se conoce como res alto hidráulico . Para la obtención de los calados conjugados y1 (rápido) e y2 (lento) en este proceso, se aplica la ecuación de la conservación de la cantidad de movimiento Co este informe presentado vamos a descubrir qué clase de resalto hidráulico se presentó en la toma de medidas en la práctica y la longitud del resalto.
I.
OBJETIVOS Objetivo general
Comprender experimentalmente la identificación de las características del resalto hidráulico y clasificarlo. Estudiar el comportamiento de un resalte hidráulico. Observar los diferentes tipos de resalto. Calcular el caudal del flujo. Verificar la validez de las ecuaciones que describen el comportamiento del flujo aplicando los principios de energía
Objetivos específicos
Calcular la perdida de energía que genera el resalto hidráulico. Analizar los diferentes resultados obtenidos en la práctica y en la teoría referente a las longitudes del resalto hidráulico y las profundidades de flujo.
II.
MARCO TEÓRICO. a. Resalto Hidráulico Un fenómeno local sucede cuando la profundidad de flujo cambia de forma abrupta, presentándose en el flujo cambios localizados y entonces se presentan dos tipos de fenómenos locales. El resalto hidráulico es una sobreelevación de la superficie liquida, el cual se presenta al pasar de una profundidad menor a mayor, a la cual se le llama profundidad crítica o energía mínima. El resalto hidráulico ocurre cuando se pasa de un flujo rápido a uno tranquilo, es decir, pasa de un tirante menor al crítico a uno mayor a éste. Una representación esquemática de un resalto hidráulico podría ser:
Basados en el principio de cantidad de movimiento y energía aplicados a una sección de una canal cualquiera, el subíndice 1 indica las características hidráulicas del régimen de flujo supercrítico asociados al tirante conjugado menor y el sub índice 2 a las características hidráulicas de régimen de flujo subcrítico asociadas al tirante conjugado mayor. Entonces para un canal rectangular el resalto hidráulico se formará en el canal si el número de Froude F1 del flujo, la profundidad de flujo y1 y la profundidad y2 aguas abajo satisfacen la ecuación:
= (√ 1 + 8 1) = (√ 1 + 8 1)
Este fenómeno se presenta muy frecuentemente en la base de embalses, aguas debajo de compuertas y en los alrededores de obstáculos sumergidos. i. Tipos de resalto hidráulico El Bureau of Reclamation de los Estados Unidos investigó diferentes tipos de resalto hidráulico en canales horizontales, cuya base de clasificación es el número de Froude en la sección de aguas arriba, Figura XI.3. En la práctica se recomienda mantener el resalto hidráulico en la condición de resalto permanente o estable, por cuanto se trata de un resalto bien formado y accesible en las condiciones de flujo reales, si bien la disipación que se logra no alcanza los mejores niveles. En los casos de resaltos permanente y fuerte, las condiciones hidráulicas aguas abajo son muy exigentes y difíciles de cumplir en la práctica de la ingeniería.
b. CONSIDERACIONES DE DISEÑO Para el diseño de resaltos hidráulicos se consideran los siguientes aspectos.
i. Pérdida de energía Se define como la diferencia de energías específicas antes y después del resalto. Utilizando la expresión (XI.7) para despejar la cabeza de velocidad se tiene:
ii. Longitud del resalto hidráulico
Un parámetro importante en el diseño de obras hidráulicas es la longitud del resalto, que definirá la necesidad de incorporar obras complementarias para reducir esta longitud y/o aplicar medidas de protección de la superficie para incrementar su resistencia a los esfuerzos cortantes. Los resultados de pruebas experimentales, realizadas en 6 canales de laboratorio, por el Bureau of Reclamation, en donde se relaciona L/Y2 vs FR1, se presentan en la Figura XI.4 Silverster (1964) propone una ecuación empírica para el cálculo de la longitud del resalto en canales rectangulares y lechos horizontales relacionada a continuación:
La pérdida de energía en un resalto hidráulico puede hallarse por la diferencia de las energías específicas antes y después de dicho resalto;
=+ 2
+ = + +hp
Pudiéndose representar de la siguiente manera:
(−)3 ∆=12= 4
La relación ΔE/E1 se conoce como pérdida relativa. La relación entre las energías especificas antes y después del resalto se define como la eficiencia del resalto hidráulico y puede calcularse de la siguiente manera:
3 (8 + 1) 4 + 1 = 8( 2 + )
La anterior ecuación indica que la eficiencia de un resalto es función adimensional, que depende solo del número de Froude del flujo de aproximación. La diferencia entre las profundidades antes y después del resalto hidráulico, se denomina Altura del Resalto y puede calcularse como hj= y2 – y1; Al expresar cada termino como la relación con respecto a la energía especifica inicial, se tienen entonces que
ℎ
=
Donde hj/E1 es la altura relativa, y1/E1 es la profundidad inicial relativa y y2/E1 es la profundidad secuente relativa. La longitud del resalto hidráulico es la distancia medida en su proyección horizontal, a partir del tirante inicial o conjugado menor (cara frontal del resalto), hasta un punto en la superficie inmediatamente aguas abajo del remolino o al tirante subsecuente o conjugado mayor. En teoría, esta longitud no puede determinarse con facilidad, pero ha sido investigada experimentalmente por muchos autores. Un ejemplo claro de lo anterior, es la siguiente imagen para calcular dicha longitud. la longitud del resalto podría calcularse para canales de sección rectangular como: Fr L/y2
1,7 4
2 4,35
2,5 4,85
3 5,28
3,5 5,55
4 5,8
5 6
6 6,1
8 6,12
10 6,12
MATERIALES Y EQUIPOS.
III.
Canal. Wincha(cinta métrica). Cronometro. Esfera de teknopor.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.
IV.
V.
Se libera el líquido a través del canal hidráulico hasta alcanzar un volumen de agua adecuado para realizar la práctica. Se espera unos minutos mientras el volumen de agua se regula a lo largo del canal. Se procede a tomar las medidas del canal tales como la base de este, y la profundidad marcada por el agua cuando ésta se ha regulado para poder tomar la velocidad del agua. Ya teniendo la velocidad podremos hallar el caudal, ya que el caudal es constante en el canal y nos ayudara a hallar las velocidades en los puntos que se realizara el análisis. Se procede a tomar medidas en el área del análisis, la compuerta. Se toma la profundidad y se rectifica el ancho de la base y se registran los datos. Se realiza este procedimiento para dos diferentes volúmenes de agua.
ANÁLISIS DE RESULTADOS.
DATOS: t(s)
y1 (cm)
y2 (cm)
L2 (m)
L3 (m)
y3 (cm)
Q (m3/hr)
1
5.07
29.4
4.25
1.66
0.54
16.6
49
2
6.81
29.45
3.5
1.35
0.475
14.6
32.5
3
9.11
33.05
2.7
1.286
0.464
13.6
47
4
14.14
33.65
1.85
0.811
0.422
12.1
48
5
5.24
29.75
3.3
1.434
0.504
15.2
48
L1 (m)
1.255
b (m)
0.3
CÁLCULOS: experimentos Parámetro
1
2
3
4
5
caudal teórico (m3/s)
0.01361
0.00903
0.01306
0.01333
0.01333
área mojada en 1 (m2)
0.08820
0.08835
0.09915
0.10095
0.08925
área mojada en 2 (m2)
0.01275
0.01050
0.00810
0.00555
0.00990
velocidad en 1 (m/s)
0.15432
0.10218
0.13167
0.13208
0.14939
velocidad en 2 (m/s)
1.06754
0.85979
1.61180
2.40240
1.34680
altura de velocidad en 1 (m)
0.00122
0.00053
0.00088
0.00089
0.00114
altura de velocidad en 2 (m)
0.05814
0.03772
0.13255
0.29447
0.09254
numero de froude en 1
0.09092
0.06015
0.07317
0.07273
0.08749
numero de froude en 2
1.65415
1.46806
3.13340
5.64218
2.36828
y2/y1 (experimental)
0.14456
0.11885
0.08169
0.05498
0.11092
y1/y2 (experimental)
6.91765
8.41429
12.24074
18.18919
9.01515
perdidas en el salto (m)
-0.31829
-0.42384
-0.78321
-1.29141
-0.47121
altura del salto (m)
0.12350
0.11100
0.10900
0.10250
0.11900
longitud del salto (m)
0.54000
0.47500
0.46400
0.42200
0.50400
clasificación del salto
Ondular
Ondular
Oscilatorio
Estacionario
Débil
CONCLUSIONES.
VI.
Los resultados obtenidos como era de esperarse no son exacto debido a que se desprecian pérdidas o pequeños detalles que afectan a estos ya sea la composición del canal donde se trabajó, la eficiencia en la toma de las muestras y otros factores que influyen.
Podemos ver que el resalto hidráulico disipa energía por lo que se puede utilizar para obras hidráulicas que requieren este tipo de solicitaciones, además de poder incrementar el nivel de aguas abajo del resalto hidráulico.
Podemos concluir que para números de Froude mayores que 9, el caudal pude generar deterioro del canal además de la socavación y como consecuencia grandes pérdidas, es por esta razón que se debe de considerar con mucha importancia este valor al momento de diseñar canales
VII.
RECOMENDACIONES.
Se debe tomar en cuenta que el canal este en buenas condiciones de uso y mantenimiento.
No debe de existir escapes o derrames de agua por los costados de la compuerta
BIBLIOGRAFÍA
STREETER V. Mecánica de Fluidos; Mc Graw Hill, 9 a Ed. 1999.
CHOW V. T. Hidráulica de Canales Abiertos, Mc Graw Hill, 1994.
http://usuraios.arnet.com.ar/marman/Proyecto_Final.htm
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