CONDUCCIONES LIBRES

U.A.J.M.S. INGENIERIA CIVIL

ING. MOISES PERALES LABORATORIO DE HIDRAULICA II

Nombre: Igor Marcelo Aparicio Leaño Carrera: Ing. Civil Materia: LAB. Hidraulica II Docente: Ing. Moisés Perales Fecha: 05/09/2011



AUTOR: IGOR MARCELO APARICIO LEAÑO

CONDUCCIONES LIBRES 1. OBJETIVOS: 1.1. • 1.2. • • •

OBJETIVO GENERAL: Estudiar de forma experimental el comportamiento de los tirantes de agua en un conducto expuesto a presión atmosférica. OBJETIVOS ESPECIFICOS:

Ejercitar el cálculo de los elementos geométricos de un canal. Comprobar experimentalmente algunas fórmulas de cálculo de régimen uniforme. Obtener el coeficiente de rugosidad en un canal rectangular.

APLICACIONES PRÁCTICAS: La conducción de líquidos se puede dividir en dos grandes grupos: “Conducciones libres” y “Conducciones Forzadas”, su diferencia entre ambas es que la primera se encuentra expuesta a presión atmosférica. En cuanto a su aplicación podemos mencionar: •

Sistemas de riego

•

Sistema de drenaje




•

Conducción de agua para acueductos

•

Plantas de tratamiento residuales

MARCO TEÓRICO: En la conducción forzada la rasante piezométrica se encuentra por encima de la tubería, lo que se puede apreciar por el ascenso del agua en los piezómetros colocados en las secciones 1 (aguas arriba) y 2 aguas (abajo). En este tipo de conducción no se presenta una superficie libre pues el líquido se encuentra confinado entre las paredes de la tubería. En la conducción libre existe una superficie libre que puede variar al cambiar las condiciones de circulación. En el caso de que el flujo sea paralelo y la inclinación del fondo del canal sea suave, la rasante piezométrica puede coincidir con la superficie libre del líquido. El estudio de las conducciones libres resulta de mayor complejidad que el de las forzadas por lo siguiente: • • •

La superficie libre puede variar en el tiempo y en el espacio. La profundidad de circulación, el gasto y la pendiente del fondo del canal están relacionadas. Las variaciones de la rugosidad, además de ser mayores que las de las conducciones forzadas, ocurren al cambiar la posición de la superficie libre.




3.1 CLASIFICACIÓN DEL FLUJO EN CONDUCCIONES LIBRES: El flujo se clasifica atendiendo a diferentes criterios. Es importante recordar dos tipos de clasificaciones: la referente al cambio de profundidad de circulación respecto a dos criterios: el tiempo y el espacio y la clasificación referente a las fuerzas predominantes. Clasificación atendiendo al criterio tiempo espacio: a) Criterio tiempo, según el cual un flujo puede ser permanente o impermanente. Se dice que el flujo es permanente cuando la profundidad de circulación en una misma superficie no varía con el paso del tiempo, y es impermantente cuando la profundidad en una misma sección varía. b) Criterio espacio, en el que los flujos se dividen en uniformes cuando en un instante dado, las profundidades de circulación en cualquier sección es la misma, y se denomina variado, cuando no se cumple la anterior condición. Clasificación atendiendo al criterio de las fuerzas predominantes:  Efecto de la viscosidad.- Para realizar esta clasificación se relaciona las fuerzas de viscosidad y las fuerzas de inercia mediante el número de Reynolds.

Re =

FI VL = FV V

(1)

Donde:

FI = fuerzas de inercia. FV = fuerzas de viscosidad. V = Velocidad del flujo. L = Longitud característica. En conducciones libres es igual a R. ν = viscosidad cinemática del líquido. De acuerdo al número de Reynolds el flujo se clasifica de la siguiente forma. Laminar Re ≤ 500 Transicional 500< Re ≤ 2000 Turbulento Re > 2000

 Efecto de la gravedad.-

Según este criterio, se los clasifica a los flujos dependiendo de la relación entre las fuerzas de inercia sobre las fuerzas de gravedad, mediante el número de Froude:

NF =

FI = FG

V gL

(2) Donde: V = velocidad del agua. g = aceleración de la gravedad. L = longitud característica En conducciones libres es igual a la hidráulica. De acuerdo al número de Froude el flujo se clasifica en: Régimen crítico

NF = 1

V=

g•D

Régimen sub-crítico

NF < 1

V<

g•D

Régimen supercrítico

NF > 1

V>

g•D

profundidad




3.2 PROPIEDADES GEOMÉTRICAS DE LAS CONDUCCIONES LIBRES:

•

Sección normal.- Es la sección transversal tomada perpendicularmente a al dirección del flujo. • Sección vertical.- Es la sección transversal tomada en un plano vertical que pase por el punto más bajo de la conducción en una sección normal. • Tirante (d) - Es la profundidad medida en la sección normal • Profundidad de circulación (y) - Es la profundidad medida en la sección vertical • Ancho de fondo o de plato (b) - Es el ancho del canal medido en el fondo. • Ancho superficial (T) - Ancho del canal en la zona de la superficie libre. • Taludes (m) - Distancia horizontal que corresponde a una unidad de altura. • Pendiente del fondo (So) - Es al tangente del ángulo del canal. • Área mojada (A) - Es el área de la sección transversal del flujo por debajo del a superficie libre. • Perímetro mojado (P) - Longitud de las paredes que son mojadas por el flujo. • Radio hidráulico (R) - R = A / P • Profundidad hidráulica (D) – D = A / T Como ya explicamos anteriormente la expresión que permite relacionar los diferentes parámetros que intervienen en el régimen uniforme, las dos de las mas utilizadas son: FORMULA DE CHEZY:

V = C RS

(3)

Donde: V = velocidad media del agua en la sección [m / s] R = radio hidráulico [m]. S = pendiente de la rasante de energía = So C = Coeficiente de Chezy. Existen varias formas para calcular C una de ellas es la de los ingenieros suizos Ganguillet y Kutter: 0.00155 1 23 + S+ S n C= 0.00155 n  1 +  23 +  S   R Donde: n = depende del material, y se lo obtiene de tablas. FORMULA DE MANNING: 1 V = R 2 / 3S 1 / 2 n (4) Donde: V = velocidad media del agua en la sección [m / s] R = radio hidráulico [m]. S = pendiente de la rasante de energía = So. n = depende de las características del material y sus valores vienen tabulados.




La fórmula de Manning en función del gasto Q en (m3 / seg.) es la siguiente: 2

1

1 Q = A • R 3S 2 n

(5) Tabla 1 Valores de n para diferentes canales según Kutter. Tipo de conducción Madera bien cepillada cemento puro Mortero de cemento con 1/ 3 de arena Madera sin cepillar Obra de ladrillo bien colocada Obra basta de ladrillo Mamposteria concertada Canales excavados en grava firme Canales y rios en buenas condiciones Canales y rios con hierba y piedra

n 0.009 0.010 0.011 0.012 0.013 0.015 0.017 0.020 0.025 0.030

Tabla 2 Valores para la “n” de Manning. Descripción del canal Vidrio, cobre, plástico u otras superficies lisas. Acero liso sin pintar, madera plana. Acero pintado o hierro recubierto

n 0.010 0.012 0.013

Asfalto liso, azulejo de drenaje de yeso común, concreto con acbado y ladrillo vidriado Hierro sin recubrimiento, Tuberia de acero forjado Ladrillo con mortero de cemento Concreto semi terminado Tierra escabada limpia Drenaje para tomenta , de metal corrugado Tierra con ligero cepillado Tierra con fuerte cepillado

0.013

2. ESQUEMA DE LA PRÁCTICA

0.014 0.015 0.017 0.022 0.024 0.050 0.100




3. HOJA DE LEVANTAMIENTO DE DATOS 4. PROCEDIMIENTO DE LA PRÁCTICA. Una vez controlada la instalación se sigue los siguientes pasos: 1. Accionar el gato mecánico hasta lograr la pendiente deseada en el fondo del canal. 2. Hacer pasar una corriente de agua por el canal para que se llenen la s mangueras que se encuentran conectadas a los piezómetros y hacer la “lectura inicial” del agua en cada uno de los piezómetros. 3. Medir la altura del fondo del canal respecto al piso (Zi). Se realiza en cada uno de los puntos donde estén ubicadas las tomas para los piezómetros. 4. Se hace circular el gasto deseado, regulando con la válvula de entrada. 5. Se realiza la medición volumétrica del gasto con el tanque de aforo. Se fija una altura y se mide el tiempo que demora en alcanzar dicha altura. 6. Se hace la “lectura final” en los piezómetros, en cm. Par el procesamiento de los datos se debe seguir el siguiente orden: 1. Calcular la pendiente del fondo del canal, So. Es la relación entre el desnivel entre el inicio y el final del canal dividido entre la longitud. 2. Determinar el gasto de circulación, Q, en m3/s. Se calcula dividiendo el volumen de agua en el tanque de aforo entre el tiempo. 3. Profundidad de circulación en las diferentes secciones del canal, y, en m. Es la diferencia de la lectura final e inicial en los piezómetros, en m. 4. Área mojada, A en m2. Para la sección rectangular del canal. 5. Velocidad media del agua en sección, m/s. Se obtiene de dividir el gasto entre el área mojada. 6. Carga a velocidad, en m. (V2/2g). 7. Perímetro mojado, P, en m. Para la sección rectangular del canal. 8. Radio hidráulico, R, en m. Es la relación entre el área y perímetro mojado. 9. Profundidad hidráulica, D, en m. Es la relación entre el área mojada y el ancho superficial. 10. Número de Reynolds, Re, dimensional. 11. Número de Froude, NF, adimensional. 12. Coeficiente de Chezy, C. Se despeja de la ecuación 3. V C = RS 13. Coeficiente de Manning, n. Se despeja de la ecuación 4 o de la 5. 2 1 1 n = A • R 3S 2 Q 14. Se dibuja un perfil longitudinal del canal, donde aparezca el fondo del canal, la superficie del agua y la rasante de energía. 15. Se comparan los valores de los coeficientes C y n obtenidos experimentalmente con los valores que se presentan en la literatura.




5. CALCULOS

PENDIENTE DEL Z1: m CAUDAL 1 CA Z2: m V: m3 L: m V: m3 t: seg S: m t: seg 1

PARAMETRO Q: m3/s Q: m3/s Altura fondo (respecto al piso) Z Lectura inicial en los piezometros Lectura final en los piezometros Profundidad de circulación Y Area mojada PARAMETRO A Altura fondo (respecto al piso) V Z Velocidad Lectura en los piezometrosV2/ Carga deinicial velocidad Lectura final en los piezometros P Périmetro mojado Profundidad de circulación Y Radio hidraulico R




5.1.

ANALISIS DE RESULTADOS.

A continuación expresamos los resultados y algunas observaciones de los mismos: Los tirantes para ambos caudales tuvieron una variación hasta de 2 centímetros con la media de los mismos. El numero de reynols en ambos caudales pertenecen al régimen transaccional ya que ninguno supera el valor de 2000 El coeficiente de manning calculado no corresponde al obtenido en tablas.




6. CONCLUSIONES. Concluimos que la práctica fue satisfactoria ya pudimos apreciar en los resultados el comportamiento del flujo en condiciones atmosféricas y las diferentes energías, como ser (Posición, Velocidad, y Presión) 7. RECOMENDACIONES. •

Se recomienda tener cuidado en la apreciación y lectura de los piezómetros, ya que pueden variar los tirantes del fujo

•

Es de suma importancia medir la temperatura para determinar el valor correcto de la viscosidad mediante tablas.

Bibliografía: -

-

Manual de prácticas de laboratorio http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/conceptosbasicosmfluidos/canl/n umero.html http://tarwi.lamolina.edu.pe/~dsa/canales.htm

Definición de viscosidad: La viscosidad es la oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales. Un fluido que no tiene viscosidad se llama fluido ideal. En realidad todos los fluidos conocidos presentan algo de viscosidad, siendo el modelo de viscosidad nula una aproximación bastante buena para ciertas aplicaciones.

CONDUCCIONES LIBRES

Recommend Documents