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Contenido II.
Introducción: .................................................................. ......................................................................................................................... ....................................................... 2
III.
Objetivos: ................................................................... .......................................................................................................................... ....................................................... 3
IV.
Materiales: ................................................................. ........................................................................................................................ ....................................................... 3
V.
Fundamento Teórico: ............................................................... ............................................................................................................ ............................................. 3
VI.
Procedimiento: Procedimiento: .......................................................... .................................................................................................................. ........................................................ 7
VII.
Cálculos y Resultados: .......................................................... ..................................................................................................... ........................................... 10
VIII.
Conclusiones: ............................................................ .................................................................................................................. ...................................................... 15
IX.
Recomendaciones: Recomendaciones: ............................................................... .......................................................................................................... ........................................... 15
X.
Bibliografía: .................................................................... ......................................................................................................................... ..................................................... 16
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CANALES ABIERTOS (RÍO CAPLINA)
I.
Introducción: En el presente informe analizaremos los elementos del canal del Río Caplina, cuyo objetivo es el de encontrar el coeficiente de rugosidad del mismo. Se evaluará un tramo de alrededor de 15 m de donde obtendremos todos los datos necesarios para nuestro trabajo. Es importante saber que en los últimos años han venido desarrollándose con rapidez proyectos de recursos hidráulicos y trabajos de ingeniería hidráulica en todo el mundo. En el diseño de canales abiertos para conducción de agua, sea cual sea su finalidad (riego, drenaje, encauzamiento de ríos, explotación hidroeléctrica, etc.…), Si, por el contrario, tenemos un gran desnivel, el problema será la excesiva velocidad del agua y la erosión del canal que ello conlleva; se deberán tomar medidas para frenar el agua tales como disponer rugosidades artificiales, caídas fuertes entre tramos de poca pendiente, u otras. Finalmente, el presente informe es el resultado del esfuerzo hecho por los participantes de este trabajo. Se realizó y detalló con la finalidad de su sencilla comprensión para el lector.
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II.
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Objetivos: a) Objetivo general:
Comprender y analizar las características físico-hidráulicas de los canales abiertos y sus propiedades.
b) Objetivos específicos:
III.
Hallar el coeficiente coeficiente de rugosidad del canal del Río Caplina. Hallar la velocidad con el que fluye el agua dentro dentro del canal. Hallar la pendiente del canal.
Materiales: Cinta métrica (metálica y de lona). Manguera de nivel. Objeto flotante (lata y pelota). Barras de madera. Cronómetro. Botas.
IV.
Fundamento Teórico: Propiedades físico-hidráulicas de los canales abiertos Un canal es un conducto natural o artificial por donde fluye un líquido valiéndose únicamente de la acción de la fuerza de gravedad. Se caracteriza por presentar una superficie libre expuesta a presión atmosférica. Características físico-hidráulicas de un canal:
Área hidráulica, A: Se refiere siempre a la de la sección transversal ocupada por el flujo en un canal. Unidad en m².
Perímetro mojado, P: Es la longitud de la línea de contacto entre el agua y la superficie mojada del canal. Unidad en m.
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Profundidad del flujo o Tirante hidráulico, y: Es la distancia vertical a la plantilla, medida desde la superficie libre del agua al punto más bajo de la sección transversal. Ocasionalmente se le confunde con el tirante normal de la sección (d), el cual se mide en forma perpendicular al fondo del canal. Cuando el ángulo θ, que
forma la pendiente longitudinal del canal con respecto al plano horizontal de referencia es muy pequeño, el tirante hidráulico y se puede considerar igual al tirante normal, d, m. La relación entre ambos tirantes es: = co cos
Ancho de la superficie libre o Espejo, T: Es el ancho de la sección del canal, medido al nivel de la superficie libre. Unidad en m.
Profundidad hidráulica o Tirante medio, D: Es la relación entre el área hidráulica y el ancho de la superficie libre. Unidad en m. =
Radio hidráulico, R: Es el parámetro utilizado para medir el efecto de la forma del canal y es el cociente del área hidráulica y su perímetro mojado. Unidad en m. =
Talud, z: Es la inclinación de las paredes de la sección transversal y corresponde a la distancia horizontal z recorrida desde un punto sobre la pared, para ascender la unidad de longitud a otro punto sobre la misma, generalmente se expresa con la letra z.
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Figura 1. Elementos geométricos de un canal, sección transversal.
Figura 2. Elementos geométricos de un canal, sección longitudinal.
Fórmula de Manning Es una fórmula empírica que rige para el flujo permanente y uniforme, turbulento, en tuberías y canales. Se obtiene a partir de la fórmula de Chezy reemplazando: =
/
En unidades métricas se obtiene: =
/ /
(n = coeficiente de rugosidad de Manning)
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Donde: V = Velocidad media R = Radio hidráulico S = Pendiente Se conviene en suponer que n es adimensional por lo que en la fórmula habrá que aceptar la existencia de un coeficiente numérico de valor uno y unidades m1/ 3/seg. En efecto: IVI = (L1/3 T-1) L2/ 3 IVl =LT-1
Coeficiente de rugosidad del canal (n) El valor de n es muy variable y depende de una cantidad de factores: rugosidad de la superficie, vegetación, irregularidades del cauce, alineamiento del canal, depósitos y socavaciones, obstrucciones, tamaño y forma del canal, nivel y caudal, cambio estacional, material suspendido y transporte del fondo. Para estimar el valor del coeficiente de rugosidad hay cinco caminos: a) Comprender los factores que afectan el valor de n y así adquirir un conocimiento básico del problema y reducir el ancho campo de suposiciones; b) Consultar un cuadro de valores típicos de n para canales de varios tipos. c) Uso de ecuaciones empíricas.
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V.
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Procedimiento: Nuestro objetivo principal es hallar el coeficiente de rugosidad del canal del Río Caplina, para lo cual necesitamos tomar las medidas de todos los elementos de dicho canal. Este procedimiento se realizará en un tramo de 15 m de longitud, el cual lo dividiremos en tramos de 5 m para tomar las medidas necesarias en cada tramo. 1. Tomar las medidas de cada tramo: Con la ayuda de las botas, tomaremos las todas las medidas necesarias dentro del canal. Para este paso utilizaremos una barra de madera que nos servirá para fijar el punto inicial del tramo. También haremos uso de una cinta métrica y de lona para las mediciones internas del canal. (Las medidas estarán en la parte de resultados)
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2. Medición del desnivel en cada tramo: Usamos dos barrotes de madera de una longitud de 1.50 m. Estos objetos cumplieron la función de estadales que nos permitieron marcar puntos de referencia entre los tramos para hallar el respectivo desnivel existente.
La manguera transparente cumplió la función de un nivel, con el empleo de agua pudimos establecer puntos entre los barrotes que nos ayudarán a establecer el desnivel entre los tramos medidos.
3. Medida de la velocidad del caudal:
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Para este procedimiento usaremos dos objetos flotantes como referencia para luego hacer una comparación entre los mismos y llegar a una conclusión. Se usó una lata metálica y una pelota de plástico.
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VI.
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Resultados:
Cálculos y
Mostraremos los datos obtenidos del canal, así como los procedimientos de cálculo necesarios. Empezaremos con los desniveles hallados, para proceder a obtener la pendiente.
1.13 m
1.245 m
1.355 m
A B
C D
Tramo AB BC CD
Distancia Inclinada (m) 5 5 5
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H (m) 0.13 0.115 0.11 Promedio
Pendiente (m/ml) 0.026 0.023 0.022 0.023667
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Posteriormente mostraremos los datos de las secciones del canal a lo largo del tramo de 15 m, establecidos originalmente. Tendremos los siguientes resultados:
Sección A-A: 134 cm
m c 5 8
m c 2 8
79 cm
2 3 c m
m c 2 2 64 cm
Sección B-B: 134 cm
m c
8 5 c m 3 8 75 cm
m c 3 2
m c 4 2
62 cm
Sección C-C:
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133 cm
m c
8 5 c m
9 9, 4 8
78 cm
m c 6 1
m c 9 1
63 cm
Sección D-D: 134 cm
8 6 c m
1 8 78 cm
m c 1 2
m c 2 2
64 cm
Resumen: Talud Tirante Base del Espejo Profundidad Talud de Sección (cm) (cm) canal (cm) cm) (cm) agua (cm) A-A 85 22 64 79 82 23 Mecánica de Fluidos II
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B-B C-C D-D Prom.
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85 85 86 85.25
23 16 21 20.5
62 63 64 63.25
75 78 78 77.5
83 84 81 82.5
24 19 22 22
Los valores promedios de la sección se pueden identificar en el siguiente esquema: 133.75 cm
m c 5 2 . 5 8
77.5 cm
m c 5. 2 8
m c
2 2 c m .5 0 2
63.25 cm
Con estos valores hallaremos el área y el perímetro mojado. Estos valores serán necesarios para hallar el radio hidráulico R: =
Área hidráulica (A) =
(.+.)
*0.0205
A = 0.144269 m2
Perímetro mojado (P) = 0.22 + 0.6325 + 0.22 P = 1.0725 m
=
0.144269 1.0725
= 0.13 0.1345 4516 16
A continuación se mostrarán los datos obtenidos del tiempo ti empo de la lata l ata y de la pelota. El tiempo es un valor necesario para hallar la velocidad del Mecánica de Fluidos II
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canal. Con estos dos objetos podremos encontrar 2 valores del coeficiente de rugosidad que nos servirá para realizar un cuadro comparativo. TIEMPO (s) Tramo Lata Pelota A-D 7.17 7.98 A-D 7.33 8.08 A-D 7.36 8.06 Promedio 7.28667 8.04 La velocidad para la lata: D = V (T) 15 = (7.2 (7.286 8667 67)) = 2.05 2.0585 855 5 / /
La velocidad para la pelota: D = V (T) 15 = (8 (8.04 .04) = 1.86 1.8656 567 7 / /
Coeficiente de rugosidad para la lata: 2.05 2.0585 855 5=
1
(0.134516 / )(0.023667/ ) = .
Coeficiente de rugosidad para la pelota: 1.86 1.8656 567 7=
1
(0.134516 / )(0.023667/ )
= .
Ahora para comprobar la efectividad de la ecuación de Manning, mostraremos una tabla con los caudales obtenidos por la ecuación de continuidad junto con los valores obtenidos por la ecuación de Manning: Objeto Pelota Mecánica de Fluidos II
n Q por continuidad Q Manning 0.038154 0.269158 0.21648 Página 14
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Lata
0.01962
0.29685
0.296981
Prácticamente los resultados son los mismos, lo que demuestra la eficiencia de dicha ecuación.
VII.
Conclusiones:
VIII.
El coeficiente de rugosidad rugosidad del canal del Río Caplina que se evaluó evaluó , mientras que con el caso de la pelota de con la lata fue de . . Estos resultados se deben a que la lata era plástico fue de . más compacta que la pelota por lo que el cálculo su velocidad fue la más real. El coeficiente coeficiente de rugosidad depende de muchos muchos factores factores tales como el material del canal, la vegetación, entre otras variables; por lo que la toma de datos debe de ser minuciosa. Los datos de la velocidad, pendiente pendiente y área del canal fueron fueron indispensables para relacionarlo entre sí y encontrar el coeficiente de rugosidad.
Recomendaciones:
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IX.
X.
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Se recomienda recomienda el empleo empleo de un objeto compacto, compacto, debido a la velocidad del canal puesto que si se usara un objeto muy liviano se podría desviar e incluso demorar más en su trayecto por el canal. Es recomendable recomendable realizar realizar la toma de medidas por por tramos, este este proceso con la finalidad de obtener un promedio de todos los datos y de esta manera obtener un resultado general respecto del canal evaluado. Usar el equipo y materiales necesarios necesarios para la toma de mediciones, mediciones, puesto que estos datos deben ser los más exactos posibles.
Bibliografía:
“Mecánica de Fluidos 2 ” Ing. Wendor Chereque Moran
“
”
Hidráulica de canales abiertos
(1994) Ven Te Chow
Anexos:
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