3er_labo

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL DEPARTAMENTO DE ACADÉMICO DE HIDRÁULICA E HIDROLOGÍA

LABORATORIO Nº3 ORIFICIOS Y BOQUILLAS 1. OB OBJE JETI TIV VOS Conocer la clasifcación y usos de los orifcios y boquillas. Determinar el caudal que pasa a través de un orifcio y de una boquilla. Determinar las ecuaciones y curvas de patronamiento de orifcios y de boquillas.

2. GENE GENERA RALID LIDADE ADES S El orifcio se utiliza para medir el caudal que sale de un recipiente o pasa a través de una tubería. El orifcio en el caso de un recipiente, puede hacerse en la pared o en el ondo. Es una abertura eneralmente redonda, a través de la cual !uye líquido y puede ser de arista auda o redondeada. El chorro del !uido se contrae a una dist distan anci cia a cort corta a en orif orifci cios os de aris arista ta aud auda. a. "as "as boqu boquil illa las s est# est#n n cons consti titu tuid idas as por por piez piezas as tubu tubula larres adap adapta tada das s a los los orif orifci cios os y se emplean para diriir el chorro líquido. En las boquillas el espesor de la pared e debe ser mayor entre $ y % veces el di#metro d del orifcio.

ORIFICIO 2.1.

BOQUILLA

CLASIFICACIN DE LOS ORIFICIOS

2.1.1. 

Según el ancho de la pared Orifcios de pared delgada Es un orifcio de pared delada si el &nico contacto entre el líquido y la pared es alrededor de una arista aflada y e ' (.)d , como se observa en la *iura +++.$. Cuando el espesor de la pared es menor que el di#metro (e ' d) no se requiere biselar. biselar.

MECÁNICA DE FLUIDOS I

HH223




2.1.2.   

Orifcios de pared gruesa "a pared en el contorno del orifcio no tiene aristas afladas y (.)d ' ' e ' $d . e presenta adherencia del chorro líquido a la pared del orifcio.

Según la orma -rifcios circulares. -rifcios rectanulares. -rifcios cuadrados.




HH223



HH223


2.1.3. Según sus dimensiones relativas e&n zevedo, / y costa, . /etto los orifcios se pueden clasifcar se&n sus dimensiones relativas así0  -rifcios peque1os i d'223  -rifcios randes i d4223 d H

2.1.4. 

: :

di#metro del orifcio. proundidad del aua hasta el centro del orifcio.

Según su uncionamiento

O!"#$"%& $%' ()&$*!+* ,"-!). En este caso el chorro !uye libremente en trayectoria parabólica.



la

atmósera

siuiendo

una

O!"#$"%& $%' ()&$*!+* *%+*(*. Cuando el orifcio descara a otro tanque cuyo nivel est# por arriba del canto inerior del orifcio, se dice que la descara es ahoada. El uncionamiento es idéntico al orifcio con descara libre, pero se debe tener en cuenta la cara h es entre la l#mina de !u5o antes y después del orifcio.


HH223


2.2. CLASIFICACIN DE LAS BOQUILLAS 2.2.1. C",/'(!"$*&.0 también denominadas boquillas patrón y de comportamiento similar al de un orifcio de pared ruesa. quellas, a su vez, est#n divididas en interiores y e6teriores. En las boquillas interiores 7o de 8orda9 la contracción de la vena ocurre en el interior, no necesariamente el chorro se adhiere a las paredes y presenta un coefciente de descara que oscila alrededor de :.)( 7zevedo, /. y costa, ., (;<=9. >ara el caso de boquillas cilíndricas e6ternas con la vena adherida a las paredes se tiene un coefciente de descara de :.?$ 7zevedo, /. y costa, ., (;<=9, ver @abla +++.(.

2.2.2.

C'"$*&.0 con estas boquillas se aumenta el caudal, ya

que e6perimentalmente se verifca que en las boquillas converentes la descara es m#6ima para q A (% %:B, lo que da como resultado un coefciente de descara de :.; 7notablemente mayor al de las boquillas cilíndricas9. "as boquillas diverentes con la peque1a sección inicial converente se denominan V'4!"5 puesto que ueron estudiadas por este investiador, que demostró e6perimentalmente que un #nulo de diverencia de ) rados y e A ;d permite los m#s altos coefcientes de descara.


HH223


2.3.

FORMULAS PARA ORIFICIOS

El caudal que pasa a través de un orificio de cualquier tipo, está dado por la siguiente ecuación general de patronamiento:

Q K H m

2.6.

: caudal. : constante característica del orificio. : carga hidráulica medida desde la superficie hasta el centro del orificio. : exponente.

CÁLCULO DE LA VELOCIDAD TERICA V

plicando la ecuación de enería entre ( y $, en la *iura se tiene0

>ara el caso de un estanque libre la velocidad presión y relativa


HH223

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL DEPARTAMENTO DE ACADÉMICO DE HIDRÁULICA E HIDROLOGÍA son nulas 7(A:, >(A:9, si el chorro en $ est# en contacto con la atmósera >$A:, y despreciando pérdidas hp, se tiene que la velocidad teórica en $ es0

2.7. 

COEFICIENTE DE FLUJO Coefciente de descarga Cd.- es la relación entre el caudal real que pasa a través del dispositivo y el caudal teórico.

Q VR A$ V A8 H

0 0 0 0 0 0

caudal velocidad real #rea del chorro o real velocidad teórica #rea del orifcio o dispositivo cara hidr#ulica

Este coeficiente Cd no es constante, varía según el dispositivo y el úmero de !eynolds, haciéndose constante para flu"o tur#ulento $ Re%&'(). *am#ién es función del coeficiente de velocidad C v y el coeficiente de contracción C c. 

Coefciente de velocidad Cv: es la relación entre la velocidad media real en la sección recta de la corriente $chorro) y la velocidad media ideal que se tendría sin ro+amiento.



Coefciente de contraccin Cc: relación entre el #rea de la sección recta contraída de una corriente 7chorro9 y el #rea del orifcio a través del cual !uye.


HH223


2.9.

CÁLCULO DEL CAUDAL DE UN ORIFICIO

ara determinar el caudal real en un orificio se de#e considerar la velocidad real y el área real, por tal ra+ón se de#en considerar los coeficientes de velocidad C v y contracción C c.

2.:.

DETERMINACIN DEL COEFICIENTE DE VELOCIDAD C;

i se desprecia la resistencia del aire, se puede calcular la velocidad real del chorro en unción de las coordenadas rectanulares de su trayectoria X, Y, *iura +++.). l despreciar la resistencia del aire, la velocidad horizontal del chorro en cualquier punto de su trayectoria permanece constante y ser#0


HH223

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL DEPARTAMENTO DE ACADÉMICO DE HIDRÁULICA E HIDROLOGÍA V <

: velocidad horizontal. : distancia horizontal del punto a partir de la sección de

m#6ima contracción.  : tiempo que tarda la partícula en desplazarse. "a distancia vertical Y recorrida por la partícula ba5o la acción de la ravedad en el mismo tiempo t y sin velocidad inicial es0

eemplazando y teniendo en cuenta que  h Ar.

@eniendo en cuenta que

, se obtiene0

3aciendo varias observaciones, para cada caudal se miden H, X y Y, se calcula el Cv correspondiente. i la variación de Cv no es muy rande, se puede tomar el valor promedio como constante para el orifcio.

2.=.

CÁLCULO DE LA PÉRDIDA DE CARGA >?@


HH223


y despe5ando las perdidas hp

>ero 3 es unción de  y C v así0

eemplazando en la ecuación de pérdidas

*inalmente

Donde el coefciente de pérdida por el orifcio F o est# dado por0

3. DESCRIPCION DE LA INSTALACION PARA EL ENSAYO "a instalación consiste en un depósito de orma rectanularG en el cu#l inresa el aua por un tubo mediante una bomba. El tubo acaba dentro del depósito con ranuras laterales, cuyo fn es tranquilizar el inreso del aua al depósito. En la pared anterior del depósito e6iste un orifcio redondo donde se pueden enca5ar dierentes accesorios consistentes en diversos tipos de boquillas y orifcios, los cuales son su5etos por medio de una brida a5ustada con pernos tipo mariposa. Dentro del depósito e6iste una plancha batiente de umbral inerior a las paredes que viene sostenido y controlado por dos cables, reulables desde un e5e. obre el umbral de la compuerta batiente vierte el e6ceso de aua bombeado que no sale por el orifcio o boquilla. "a compuerta batiente permite a la vez reular el nivel del aua en el depósito para diversas posiciones, a la vez de obtener un estado permanente. El e6ceso de aua pasa a un compartimento al costado desde donde se deriva a un desaHe.


HH223


obre el umbral de la compuerta batiente vierte el e6ceso de aua bombeado que no sale por el orifcio o boquilla. "a compuerta batiente permite a la vez reular el nivel del aua en el depósito para diversas posiciones, a la vez de obtener un estado permanente. El e6ceso de aua pasa a un compartimiento al costado desde donde se deriva a un desaHe.

CORTE POSTERIOR DEL DEPSITO +nstrumentación0 El nivel del aua en el depósito se mide en un recipiente provisto de un limnímetro de punta doble. Este recipiente est# conectado con el depósito por medio de una manuera que hace un vaso comunicante. El limnímetro de punta doble est# calibrado para medir el nivel en el depósito respecto al e5e del orifcio o boquilla. >ara medir la descara hay un canal que recoe las auas vertidas a través de la boquilla u orifcio, el cual acaba en un vertedero de pared delada de sección trianular. >ara medir la descara basta con medir la cara sobre el vertedero en un limnímetro de punta invertida colocado al costado del canal de acercamiento, y reerirse a una tabla ad5unta calibrada de cara sobre el vertedero vs. Caudal. -tro instrumento ser# un vernier para medir las dimensiones de la boquilla.


HH223


6. PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO     

*amiliarizarse en orma teórica y pr#ctica como instalación del ensayo Iedir las dimensiones de la boquilla, di#metro interno y lonitud utilizando el vernier. "lenar el depósito con aua. Establecer un nivel y cara 3 constante en el depósito manipulando la compuerta batiente. ealizar las siuientes mediciones simult#neas "a cara 3 en el limnímetro de punta doble El caudal J r utilizando el vertedero trianular @razar la trayectoria del chorro de aua. • • •


HH223

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL DEPARTAMENTO DE ACADÉMICO DE HIDRÁULICA E HIDROLOGÍA 

epetir

7. CUESTIONARIO a. !"pli#ue a #ue se de$e la ormacin de la contraccin de un chorro. "os fletes de la vena liquida son converentes hasta una sección J situada a una cierta distancia de la pared, a partir de la cual comienza a circular paralelamente.  esta sección se la llama sección contraída. "a relación entre ambas secciones se denomina coeiciente de contracción 7KA JL9 siendo 7K '(9, que viene dado e6perimentalmente, y depende de las dimensiones, orma, cara del orifcio y pro6imidad de éste a las paredes del depósito. $. %edu&ca la ecuacin general para orifcios de grandes dimensiones ' poca carga. En randes orifcios, la velocidad varía en los dierentes puntos de la sección del orifcio con la altura z, a no ser que el orifcio esté situado en el ondo del depósito. El caudal infnitesimal que circula a través de la sección 7l dz9, es0

c. %efna ' clasif#ue ampliamente acerca de los orifcios de contraccin incompleta.

-rifcios con contracción incompleta, se hacen coincidir uno o m#s lados del orifcio con las paredes laterales y desaparece la contracción en ése o esos lados. e puede hablar de dos tipos de contracción incompleta en un orifcio.


HH223




Cuando las paredes o el ondo del recipiente se encuentran a distancias ineriores a %D 7D es el di#metro de los orifcios9 o bien, a % a 7a, dimensión mínima en orifcios rectanulares9, se dice que la contracción en el orifcio es parcialmente suprimida.



i se llea al caso e6tremo en que una de las ronteras del recipiente coincida con una arista del orifcio, se dice que la contracción es suprimida en esa aristaG en tal caso el orifcio se apoya sobre la pared del recipiente.

En el caso de contracción parcialmente suprimida, se puede utilizar la siuiente ecuación empírica para calcular el coefciente de asto a saber0

Donde Cd es el coefciente de asto del orifcioG C do el coefciente de asto del mismo orifcio con contracción completaG  : el #rea del orifcioG r el #rea de la pared del recipiente en contacto con el aua.

-r '

d. %efna ' clasif#ue ampliamente acerca de los orifcios de descarga sumergida. Cuando el orifcio descara a otro tanque, que cuyo nivel est# por arriba del canto inerior del orifcio, se dice que la descara es ahoada. El ahoamiento puede ser total o parcial.


HH223


AHOGAMIENTO TOTAL

AHOGAMIENTO PARCIAL En el caso de descara ahoada total se puede derivar una ecuación an#loa a la eneral

, con la &nica dierencia que la

enería total 3 es entonces 3 7dierencia de niveles entre los dos recipientes9G el asto es entonces0

e recomienda utilizar el mismo coefciente de asto C d que el de un orifcio de descara libre. Cuando el ahoamiento es parcia, el asto total descarado por el orifcio se puede e6presar como la suma J ( y J$, donde J( es el asto correspondiente a la porción del orifcio con descara ahoada, es decir0


HH223


y J$ es el asto de la porción del orifcio con descara libre, a saber0

/o hay investiaciones confables acerca de los coefcientes de asto Cd( y Cd$ al respecto, chla propone que C d(A:.<: y Cd$A:.=<), en el caso de que el orifcio tena un umbral de ondo. e. %efna ' clasif#ue ampliamente acerca de los orifcios de pared gruesa. Cuando la pared en el contorno de un orifcio no tiene aristas afladas, el orifcio es de pared ruesa o tubo corto.

En este tipo de orifcio se observa que el chorro, una vez que ha pasado la sección contraída, tiene todavía espacio dentro del tubo para e6pandirse y llenar la totalidad de la sección. Entre la sección contraída y la fnal ocurre un r#pido descenso de la velocidad acompa1ado de turbulencia y uerte pérdida de enería. >or un razonamiento an#loo al de los orifcios de pared delada. 

@ubo corto


HH223

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL DEPARTAMENTO DE ACADÉMICO DE HIDRÁULICA E HIDROLOGÍA 

@ubos cilíndricos rentrantes



@ubos cilíndricos para aristas audas y redondeadas.

. Calcular los coefcientes de descarga C d ( ' de resistencia de )u*o + utili&ando las rmulas , ' ,/ presentadas.

H>$@

 B%4",,* >$@

 C%!!% >$@

)<.$: .)( $?.?: $%.=) )?.;= ?.<)

$.;; $.;; $.;; $.;; $.(: $.(:

$.<% $.)) $.) $.; (.(; (.<=


T!*)$%!"* <>$@ Y>$@ ):.: ):.: ):.: ):.: ):.: ):.:

($.) (<.) $.: $;.: ($.) (.)

>$@ (:= (:: ;( ?< MM MM

HH223

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL DEPARTAMENTO DE ACADÉMICO DE HIDRÁULICA E HIDROLOGÍA $;.<<

$.(:

V! >$& @

V >$& @

%(%.$ :; $=.< (: $$=.: %; $:).= %$ %(%.$ :; $;:.? :< $$(. <$

%%).: :$ $;).) ( $%<.< :; $(). (: %:.( (< %:;.$ =; $(.= <;

):.:

(.<)

A-% >$2 @

=.;; ?

%.= 

A$% Q! Q >$2 >,&@ >,&@ @ ).?% $ ).(: < ).:= < .?< : (.(( $ $.% % $.%; $

(.$% : (.:< : :.? : :.<) : :.<$ ? :.=$ < :.)= :

$.%  $.:= ? (.==  (.): < (.(< ? (.:< ( :.?% <

$).:

MM

C$

C;

Cd

:.?%%  :.<$; ? :.<$ ( :.=;) ? :.%$( ( :.<:$  :.=;: )

:.;% ; :.?;) ? :.;): ; :.;) = :.;$: ; :.;: % :.;(= 

:.<<; $ :.=)% < :.=?? ) :.== % :.$;) < :.==: ) :.=%$ ?

 :.(: :.$=% :.(:); :.:;< :.(<;$ :.(%(: :.(;:?

3allando los coefcientes de pérdida por orifcio

 B%4",,* >$@

C; >?!%@



$.;;

:.;%(

:.(=$

$.(:

:.;$);

:.(===

g. 0rafcar los valores o$tenidos de C d ' + versus %( agrupndolos en dos curvas.

HD



C(

(;.(=$)

:.(:

:.<<;$

(.;(($

:.$=%

:.=)%<

;.=?$

:.(:);

:.=??)


HH223

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL DEPARTAMENTO DE ACADÉMICO DE HIDRÁULICA E HIDROLOGÍA <.;$$;

:.:;<

:.==%

$?.:<=$

:.(<;$

:.$;)<

$%.$(%

:.(%(:

:.==:)

(.(<=$

:.(;:?

:.=%$?

h. 0rafcar los datos de caudal  r versus la carga .


37cm9

Jr

)<.$:

(.

%$.)(

(.:<

$?.?:

:.?

$%.=)

:.<)

)?.;=

:.<$?

?.<)

:.=$<

$;.<<

:.)=

HH223


i. 0raf#ue la tra'ectoria del chorro ' verif#ue en el mismo grfco con la tra'ectoria terica.


HH223


*. Comente ' haga conclusiones en $ase a los grfcos presentados( maniestando entre otras cosas las ra&ones de la concordancia o discrepancia con los valores predichos por la teor5a. De las r#fcas del Coefciente de Descara se observa que los valores obtenidos en el laboratorio diferen notablemente de los teóricos, cabe resaltar que este hecho ya se veía esperar debido que en el momento de tomar los di#metros del chorro de aua las medidas obtenidas eran muy variables a pesar de tener el cuidado correspondiente. Es decir se debe a errores de lectura de los limnimetros y del di#metro del chorro. olo los primeros valores coinciden apro6imadamente, pero los siuientes valores salen muy distorsionados. El coefciente de descara sinifco un aumento del caudal de salida a medida que se aumentaba la altura del nivel de aua -bservamos que la resistencia de !u5o aumenta a medida que la altura del aua aumenta es decir son directamente proporcionales, es decir la pérdida del !u5o se da a medida que aumenta el nivel del aua. dem#s se observa que el caudal E" aumento a medida que la altura de aua 7cara9 aumenta. on directamente proporcionales. E6istieron diversos errores de lectura al momento de realizareN laboratorio sobre todo el de medición del limnimetro ya que ue


HH223

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL DEPARTAMENTO DE ACADÉMICO DE HIDRÁULICA E HIDROLOGÍA realizado por dierentes personas. dem#s la medición de las coordenadas 76,y9 se realizo de manera muy rudimentaria debido que se realizo a simple vista debido a lo diícil que resulto la medición 6. 7resentar una relacin de coefcientes de descarga( de velocidad( de contraccin( de p8rdidas de carga tericas( para diversos tipos de orifcios( $o#uillas ' tu$os cortos.


HH223


l. 9encionar la aplicacin prctica de tales coefcientes( por e*emplo para el diseo de #u8 tipo de o$ras se utili&an. "as compuertas son randes orifcios practicados en muros, para salida de las auas, que van cerrados por tableros móviles. >ara calcular el caudal en las compuertas de fondo, se emplea la formulación anterior, aunque en realidad, por e6istir contracción


HH223

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL DEPARTAMENTO DE ACADÉMICO DE HIDRÁULICA E HIDROLOGÍA en la arista superior del rect#nulo, deber# tomarse un coefciente 38de contracción incompleta


HH223

3er_labo

Recommend Documents