Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Tecnología de la Construcción Departamento de Hidráulica y Medio Ambiente Ambiente Informe de Mecánica de Fluidos e Hidráulica 2 Practica n° 4: Flujo sobre Vertederos de Cresta Ancha. Profesor de teoría: Msc. Ing. Ricardo Fajardo González Profesor de práctica: Ing. Noé Hernández Durán Grupo de teoría: 3T1- C Grupo de práctica: 3T1- C 1
Elaborado por: Luis Carlos Cano Flores Denis Díaz Jarquín Roger Fonseca Sáenz Frederick Cajina Curtis
2014 - 0370I 2014 – 0432I
Fecha de realización: sábado, 24 de septiembre del 2016. Fecha de entrega: martes, 08 de noviembre del 2016.
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INDICE
Contenido INDICE
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1.
INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................
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2.
OBJETIVOS ..........................................................................................................................
4
2.1.
OBJETIVO GENERAL ........................................................................................................
4
2.2.
OBJETIVOS ESPECIFICOS ..............................................................................................
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3.
GENERALIDADES ..............................................................................................................
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5.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ............................................................................... 8
6.
DATOS OBTENIDOS EN EL LABORATORIO. ............................................................. 9
7.
FORMULAS. .........................................................................................................................
8.
CÁLCULOS. .......................................................................................................................
10
9.
CUESTIONARIO ................................................................................................................
15
10.
CONCLUSIONES ...............................................................................................................
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11.
ANEXOS ..............................................................................................................................
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12.
BIBLIOGRAFIA ..................................................................................................................
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1. INTRODUCCIÓN Un vertedero es un dique o pared que intercepta una corriente de un líquido con superficie libre, causando una elevación del nivel del fluido aguas arriba de la misma. Los vertederos se emplean bien para controlar ese nivel, es decir, mantener un nivel aguas arriba que no exceda un valor límite, o bien para medir el caudal circulante por un canal. Como vertedero de medida, el caudal depende de la altura de la superficie libre del canal aguas arriba, además de depender de la geometría; por ello, un vertedero resulta un medidor sencillo pero efectivo de caudal en canales abiertos. Hacia esta segunda aplicación está enfocada la presente práctica explícitamente a vertederos de cresta ancha. En la ingeniería civil se presentan innumerables soluciones para los diferentes problemas que se presentan en la práctica; en el área de hidráulica, precisamente, los vertederos son estructuras que tienen aplicación muy extendida en todo tipo de solución de problemas en sistemas hidráulicos; normalmente desempeñan funciones de seguridad y control.
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2. OBJETIVOS
2.1.
OBJETIVO GENERAL
Determinar la relación entre la altura aguas arriba del vertedero " el flujo de agua sobre un vertedero de cresta ancha.
2.2.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Calcular el coeficiente de descarga y observar el modelo de flujo obtenido. Determinar el tipo de relación que existe entre el caudal real y la altura de aguas arriba.
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3. GENERALIDADES Los vertederos de Cresta ancha son estructuras que tienen la capacidad de soportar la lámina de agua de tal manera que la variación de la presión se considera hidrostática, y para este tipo especial de vertederos la capacidad de descarga es menor que los vertederos de cresta delgada y su uso más frecuente es como estructura de control de nivel. El Vertedero debe tener el extremo agudo del lado de aguas arriba para que la corriente fluya libremente. A esto se denomina Contracción final, necesaria para aplicar la calibración normalizada. Los vertederos con escotadura en V son portátiles y sencillos de instalar de manera temporal o permanente. La forma en V significa que son más sensibles a un caudal reducido, pero su ancho aumenta para ajustarse a caudales mayores. El Angulo de la escotadura es casi siempre 90 grados, pero se dispone de diagramas de calibración para otros ángulos, 60,30 y 15 grados cuando es necesario aumentar la sensibilidad.
Vertederos hidráulicos Los vertederos son estructuras que tienen aplicación muy extendida en todo tipo de sistemas hidráulicos y expresan una condición especial de movimiento no uniforme en un tramo con notoria diferencia de nivel. Normalmente desempeñan funciones de seguridad y control. Se llama vertedero a la estructura hidráulica sobre la cual se efectúa una descarga a superficie libre. El vertedero puede tener diversas formas según las finalidades alas que se destine. Si la descarga se efectúa sobre una placa con perfil de cualquier forma pero de arista aguda, el vertedero se llama de pared delgada; cuando la descarga se realiza sobre una superficie, el vertedero se denomina de pared gruesa. Ambos tipos pueden utilizarse como dispositivos de aforo en el laboratorio o en canales de pequeñas dimensiones. El vertedero de pared gruesa se emplea además como obra de control o de excedencias en una presa y como aforador en grandes canales.
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Funciones del vertedero. Un vertedero puede tener las siguientes funciones:
Lograr que el nivel de agua en una obra de toma alcance el nivel de requerido para el funcionamiento de la obra de conducción.
Mantener un nivel casi constante aguas arriba de una obra de toma, permitiendo que el flujo sobre el coronamiento del vertedero se desarrolle con una lámina líquida de espesor limitado.
En una obra de toma, el vertedero se constituye en el órgano de seguridad de mayor importancia, evacuando las aguas en exceso generadas durante los eventos de máximas crecidas.
Permitir el control del flujo en estructuras de caída, disipadores de energía, transiciones, estructuras de entrada y salida en alcantarillas de carreteras, sistemas de alcantarillado, etc.
Clasificación: Los vertederos pueden ser clasificados de varias formas: Por su localización en relación a la estructura principal: O Vertederos frontales O Vertederos laterales O Vertederos tulipa; este tipo de vertedero se sitúa fuera de la presa y la descarga puede estar fuera del cauce aguas abajo. Desde el punto de vista de los instrumentos para el control del caudal vertido: O Vertederos libres, sin control. O Vertederos controlados por compuertas. Desde el punto de vista de la pared donde se produce el vertimiento: O Vertedero de pared delgada O Vertedero de pared gruesa O Vertedero con perfil hidráulico. Desde el punto de vista de la sección por la cual se da el vertimiento: O Rectangulares O Trapezoidales O Triangulares O Circulares O Lineales, en estos el caudal vertido es una función lineal del tirante de agua sobre la cresta. Desde el punto de vista de su funcionamiento, en relación al nivel aguas abajo: O Vertedero libre, no influenciado por el nivel aguas abajo O Vertedero ahogado. Flujo de canales. Para la determinación de estos flujos en los canales, rectangulares y trapezoidales tuvieron en cuenta los siguientes puntos. Canal trapezoidal. Para esta parte se realizó la medida tanto del tirante o profundidad (d) como también se midió la longitud de la base (B) y la superficie libre (T). Para esta parte de la practica como todos sabemos se observó que la pendiente, la base y talud fueron parámetros constantes para cada canal. Ecuación para un vertedero rectangular de pared delgada: Aplicando la ecuación de Bernoulli entre los puntos 1 y 2 sobre una misma línea de corriente, se obtiene: Un coeficiente Cd determinado experimentalmente, se involucra para considerar el
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uso de las suposiciones, Entonces: Cd es conocido como Coeficiente de Descarga. Un vertedero rectangular sin contracción es aquel cuyo ancho es igual al del canal de aproximación. Para este tipo de vertedero es aplicable la fórmula de Renhbock para hallar el valor de CD: Donde p es la altura de la cresta del vertedero medida desde el piso del canal. Un vertedero rectangular con contracción es aquel en el cual el piso y los muros del canal están lo suficientemente alejados del borde del vertedero y por lo tanto no influyen en el comportamiento del flujo sobre él. El vertedero debe ser lo suficientemente ancho en la dirección del flujo para que la superficie del agua sea paralela a la cresta. Como no hay obstrucciones al flujo aguas abajo del vertedero, el caudal alcanzará su máxima descarga posible. Para estas condiciones que son críticas, se obtiene la profundidad crítica del flujo
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4. EQUIPO:
1. Canal Hidráulico de Laboratorio 2. Vertederos de Cresta Ancha 3. Cronómetro 4. Vernieres medidores de profundidad (Hidrómetros) 5. Juego de pesas de 2.5 Kg.
5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1. Fije una pendiente igual o menor que 1/400 por medio de la rueda manual. 2. Coloque los tres bloques extremo con extremo para formar un vertedero de 342.5mm (13.5 plg) y sitúelo a más o menos 90cm (3pies) de la entrada del canal. 3. Conecte la bomba. 4. Ajuste el caudal para un valor máximo con el cual la superficie libre del agua sobre el vertedero, será paralelo a él. 5. Mida la profundidad del flujo sobre el vertedero y aguas arriba de él. 6. Con el mecanismo pesador determine el caudal usado. 7. Reduzca el caudal y repita el proceso anterior unas 10 veces.
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6. DATOS OBTENIDOS EN EL LABORATORIO. N°
Ww (kg)
Tiempo de colección (seg)
YAA
YS.V
(cm)
(cm)
Y0 (YAA-Y1) (cm)
1 2
7.5 7.5
3.34 3.91
8.9 8.62
6.47 6.26
6.36 6.08
3 4 5 6 7 8
7.5 7.5 7.5 7.5 7.5 7.5
4.12 4.54 5.72 6.14 6.94 7.26
8.45 8.26 7.92 7.74 7.41 7.14
6.18 6.09 5.87 5.80 5.62 5.52
5.91 5.72 5.38 5.2 4.87 4.60
7. FORMULAS.
=.∗∗/ = √ ∗ = = ∗ = . − = − = ∗ =
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8. CÁLCULOS. Datos Y1= 1” = 2.54 cm b = 7.5 cm
Cálculos. Alturas.
ℎ = 6.47 − 2.54 = 3.93 ℎ = 6.26 − 2.54 = 3.72 ℎ = 6.18 − 2.54 = 3.64 ℎ = 6.09 −2.54 = 3.55 ℎ = 5.87 − 2.54 = 3.33 ℎ = 5.80 − 2.54 = 3.26 ℎ = 5.62 −2.54 = 3.08 ℎ = 5.52 − 2.54 = 2.98 Energía sobre el vertedero.
= 8.90 −2.54 = 6.36 = 8.62 − 2.54 = 6.08 = 8.45 − 2.54 = 5.91 = 8.26 − 2.54 = 5.72 = 7.92 − 2.54 = 5.38 = 7.74 − 2.54 = 5.20 = 7.41 − 2.54 = 4.87 = 7.14 − 2.54 = 4.60
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Caudales Reales.
7. 5 = =0.002245 1000 ∗3.34 7. 5 = =0.001918 1000 ∗3.91 7. 5 = =0.001820 1000 ∗4.12 7. 5 = =0.001652 1000 ∗4.54 7. 5 = =0.001311 1000 ∗5.72 7. 5 = =0.001221 1000 ∗6.14 7. 5 = =0.001080 1000 ∗6.94 7. 5 = 0.001033 1000 ∗7.26 Caudales Estimados.
= 1.705∗0.075 ∗ 0.0636 =0.002051 = 1.705 ∗0.075 ∗0.0608 =0.001917 = 1.705 ∗0.075 ∗0.0591 =0.001837 = 1.705 ∗0.075 ∗0.0572 =0.001749 = 1.705 ∗0.075 ∗0.0538 =0.001596
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= 1.705 ∗0.075 ∗0.0520 =0.001516 = 1.705 ∗0.075 ∗0.0487 =0.001374 = 1.705 ∗0.075 ∗0.0460 =0.001261 Áreas.
= 0.075 ∗ 0.0393 = 0.002947 = 0.075 ∗0.0372 = 0.002790 = 0.075 ∗0.0364 = 0.002730 = 0.075 ∗0.0355 = 0.002662 = 0.075 ∗0.0333 = 0.002497 = 0.075 ∗0.0326 = 0.002445 = 0.075 ∗0.0308 = 0.002310 = 0.075 ∗0.0298 = 0.002235 Velocidades.
/ 0 . 0 02245 = 0.002947 =0.76 / 0. 0 01918 = 0.002790 =0.68 / 0. 0 01820 = 0.002730 =0.66 / 0. 0 01652 = 0.002662 =0.62 / 0. 0 01311 = 0.002497 =0.53 / 0. 0 01221 = 0.002445 =0.49 / 0. 0 01080 = 0.002310 =0.47
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/ 0. 0 01033 = 0.002235 =0.46 N° de Froude
0.76 = =1.22 9.81 ∗0.0393 0.68 = =1.12 9.81 ∗0.0372 0.66 = =1.10 9.81 ∗0.0364 0.62 = =1.05 9.81 ∗0.0355 0.53 = =0.92 9.81 ∗0.0333 0.49 = =0.87 9.81 ∗0.0326 0.47 = =0.86 9.81 ∗0.0308 . = . ∗. = 0.85
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Coeficientes de descargas.
m 0.002245 seg Cd = =1.09 m 0.002051 seg m 0.001918 seg Cd = =1.00 m 0.001917 seg m 0.001820 seg Cd = =0.99 m 0.001837 seg m 0.001652 seg Cd = = 0.94 m 0.001749 seg m 0.001311 seg Cd = =0.82 m 0.001596 seg m 0.001221 seg Cd = =0.80 m 0.001516 seg m 0.001080 seg Cd = =0.78 m 0.001374 seg m 0.001033 seg Cd = =0.82 m 0.001261 seg
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9. CUESTIONARIO
1.
¿Cuáles son las fuentes de error en el procedimiento?
Una mala calibración del hidrómetro, o bien, debido a su mal estado causa malas apreciaciones de lectura. Además, una mala toma del tiempo en la determinación del caudal. El mal ajuste de la pendiente del canal a través del tornillo calibrador. Y por último, la mala ubicación de los bloques para producir un flujo crítico. 2.
¿Qué aplicaciones prácticas tienen los vertederos de cresta ancha?
Los vertederos sirven para facilitar el almacenamiento de agua. Algunas veces los vertederos de cresta ancha se utiliza como medidores de flujo crítico, es decir para medir los caudales de la corriente. Los vertederos de cresta ancha son utilizados como obras de control de excedencias en una presa o como estructura de aforo en estructuras de gran tema 3.
¿Cómo afecta el coeficiente de descarga la altura del vertedero?
Para un mismo caudal, si varia la altura del vertedor (si aumenta)entonces provocaría una variación de la profundidad aguas arriba así como una variación en la profundidad en el vertedero, lo que significa que tanto las alturas sobre el vertedero como el tirante de agua entre la superficie libre del líquido y la superficie del vertedero permanecerían constante o variarían muy insignificantemente por lo cual el caudal teórico permanecería sin variaciones y debido a esto el coeficiente de descarga no variaría. 4. Grafique las Yc teóricas y la experimental. Analice. 5. Grafique Qr vrs. h3/2 y analice. 6. Calcule el número de Froude para cada uno de los diez caudales y analice. 7. ¿Qué factores afectan al coeficiente de descarga? El coeficiente de descarga es afectado y el tiempo con los cuales se alcanza un caudal determinado en esto incide mucho el líquido, la temperatura ambiental y las condiciones en las cuales se encuentra el dispositivo del canal en el cual se aloja el volumen del líquido, para el caudal se toman en cuenta la altura del vertedero así como la altura sobre el vertedero, de la correcta calibración y lectura de los hidrómetros depende la precisión en este tipo de caudales es importante siempre recordar que el coeficiente de descarga siempre es menor que uno en caso contrario se debieron haber cometido errores en el experimento en el caudal del mismo. , El coeficiente de descarga deberá considerar el tipo de vertedero, su geometría, rugosidad superficial, condiciones de flujo, etc.
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Q Real VS Y0 0.0025
0.002
0.0015
0.001
0.0005
0 0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
Q Real Vs V 0.0014 0.0012 0.001 0.0008 0.0006 0.0004 0.0002 0 0
0.0005
0.001
0.0015
0.002
0.0025
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10. CONCLUSIONES El valor del coeficiente de gasto obtenido en la práctica se puede decir que es constante y de una aproximación bastante buena para los fines que persigue la práctica. El redondear las aristas del vertedero de cresta ancha provoca la disminución de la contracción, es decir se incrementa el derrame para una cara dada.
Al coeficiente de descarga afecta principalmente la altura del nivel del agua, aguas arriba del vertedero. Como se observa en los resultados el coeficiente de descarga disminuye cuando el nivel aumenta y varía alrededor de 2. La altura depende del caudal y de la velocidad con la que fluya el agua.
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11. ANEXOS
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12.
BIBLIOGRAFIA
Apuntes de clase de Hidráulica II Practica 4 Flujo sobre vertederos de cresta ancha, Guías de Laboratorio de Hidráulica II, Departamento de Hidráulica, Facultad de Tecnología de la Construcción, Universidad Nacional de Ingeniería. Hidráulica de canales abiertos, Ven Te Chow
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