UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN FACULTAD DE INGENIERÍA DE PRODUCCIÓN Y SERVICIOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA
CURSO: MECANICA DE FLUIDOS E HIDRAULICA TEMA: EXPERIENCIA DE MEDICIÓN DE FLUJO EN CANAL DE PENDIENTE VARIABLE DOCENTE: ING. ROBLES FALCON EDGAR PRESENTADO POR: CORRALES CARRASCO JOHN MAKEY CUADROS MOSCOSO JORBY PARQUI CHUCHI RUBEN QUENAYA ROQUE HELVER VALDIVIA HUAMANI ERICK AREQUIPA-PERÚ 2012 Mecánica de fluidos-flujo en canales
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EXPERIENCIA DE MEDICIÓN DE FLUJO EN CANAL DE PENDIENTE VARIABLE
I.
OBJETIVO Mediante esta experiencia se mide el flujo en canales con una determinada pendiente, debe tenerse presente la rugosidad de las paredes por donde circula el fluido. Entre los objetivos más importantes tenemos:
Determinar el caudal mediante la ecuación de Manning.
Comparar el caudal de Manning con el caudal del rotámetro.
Determinar el porcentaje de error de los dos caudales.
II.
FUNDAMENTO TEÓRICO
Canal de Pendiente Variable Es un conducto en el que el líquido fluye sobre una superficie sometida a la presión atmosférica, el flujo se origina por la pendiente del canal y de la superficie del líquido, se debe tener presente que la presión se mantiene constante sobre la superficie del líquido el cual lo distinguq de la que se efectúa en conductos cerrados. Debemos tener en cuenta que los flujos a medir están regidos por la ecuación de Manning, que partiendo de la ecuación de continuidad se llega a la siguiente expresión.
⁄ ⁄
Donde:
Cm: coeficiente de Manning, que toma en valor de 1, en el sistema internacional.
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n: factor de rugosidad de Manning de las superficies típicas de canales. A: área de la sección transversal del canal. Rh: radio hidráulico del canal. S: pendiente de la superficie del agua o de la línea de energía o de la solera delc anal; estas líneas paralelas para el flujo uniforme y permanente.
La pérdida de carga expresada en términos de la fórmula de Manning es:
Donde: L: longitud del canal o distancia tomada de los puntos considerados al evaluar la energía.
Valores promedio del factor de rugosidad de Manning para algunos materiales usados en las superficies de canales.
MATERIAL
FACTOR n
Madera cepillada
0.012
Concretoa cabado
0.012
Concreto sin acabado
0.014
Fierro fundido
0.015
Ladrillo
0.016
Tierra
0.025
Grava
0.029
Acero liso
0.012
Acero pintado
0.014
Latón
0.011
Vidrio
0.010
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NOTA: Todos estos valores de rugosidad pueden variar en el rango de
III.
±0.002
EQUIPO UTILIZADO
IV.
Rotámetro
Limnímetro
Canal de pendiente variable
Bombas de agua
Nivel
PROCEDIMIENTO Poner en funcionamiento las bombas y hacer circular el agua por el canal de pendiente variable. Determinar la pendiente para cada flujo: S=0.15 Medir con el Limnímetro las alturas conseguidas para cada caudal y pendiente: Y=1.5cm
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Determinar el radio hidráulico del canal.
Determinar el factor de rugosidad de las paredes del canal.
⁄ ( ⁄) ⁄ ⁄ V.
CUESTIONARIO 1. ¿Cómo se da el flujo a través de los canales?
En el flujo en un canal abierto, el fluido esta contenido entre la solera del canal y la superficie libre en contacto con la atmosfera. Es un flujo con gradiente de presión nulo en la dirección del flujo, que se establece por la fuerza de gravedad.
2. ¿Qué tipo de movimiento presenta el flujo? El número de Froude, clasifica el flujo en un canal, en función de la relación entre la velocidad media de la corriente y la velocidad de una perturbación superficial. En una determinada sección de la solera, la velocidad media, puede ser menor, igual o mayor a la velocidad de una perturbación en la superficie libre, con lo que se tendría, respectivamente: Fr < 1 corriente subcrítica Fr = 1 corriente crítica Fr > 1 corriente supercrítica 3. ¿En qué tipo de canal se da mejor el flujo? El trapecio es la forma mas común para canales con bancas en tierra sin recubrimiento, debido a que proveen las pendientes necesarias para la estabilidad. 4. ¿Qué influencia tiene la gravedad y la viscosidad en el flujo del canal? El estado o comportamiento del flujo en un canal abierto es gobernado básicamente por los efectos de viscosidad y gravedad relativa a las fuerzas de inercia del flujo.
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Efecto de viscosidad: Dependiendo del efecto de la viscosidad relativa a la inercia, el flujo puede ser laminar, turbulento o de transición. El flujo es laminar si las fuerzas viscosas son tan fuertes comparadas con las fuerzas de inercia, que la viscosidad juega un papel importante para determinar el comportamiento del flujo. En flujo laminar, las partículas del fluido parecen moverse en recorridos calmados definidos, o líneas de corriente, y las capas infinitésimamente delgadas del fluido parecen deslizarse sobre las capas adyacentes. El flujo es turbulento si las fuerzas viscosas son débiles comparadas con las fuerzas de inercia. En el flujo turbulento, las partículas del fluido se mueven en recorridos irregulares, los cuales no son ni calmados ni determinados pero en su conjunto todavía representan el movimiento hacia adelante de la corriente total. Entre los estados laminar y turbulento de la corriente, hay un estado mixto o estado de transición. El efecto de viscosidad relativo al de inercia puede representarse por el número de Reynolds. En la mayor parte de los canales abiertos el flujo laminar ocurre muy raramente. En efecto, el hecho de que la superficie de una corriente aparezca lisa y tersa para un observador no es en ningún modo una indicación de que el flujo sea laminar; más probablemente, ello indica que la velocidad de la superficie es más baja que la requerid para que se formen ondas capilares. El flujo laminar en canales abiertos existe, por ejemplo donde delgadas láminas de agua fluyes sobre el suelo o en canales de laboratorio. Efecto de la gravedad. El efecto de la gravedad sobre el estado del flujo se representa por una relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas de gravedad. Esta relación es conocida como el Número de Froude. Si el Número de Froude es mayor a la unidad (F > 1), el flujo se denomina supercrítico. Si el Número de Froude es menor a la unidad (F < 1), el flujo se denomina subcrítico. Si el Número de Froude es igual a la unidad (F = 1), el flujo se denomina crítico. 5. ¿Cuándo un flujo es laminar? Es uno de los dos tipos principales de flujo en fluido. Se llama flujo laminar o corriente laminar, al movimiento de un fluido cuando éste es ordenado, estratificado, suave. En un flujo laminar el fluido se mueve en láminas paralelas sin entremezclarse y cada partícula de fluido sigue una trayectoria suave, llamada línea de corriente. En flujos laminares el mecanismo de transporte lateral es exclusivamente molecular.
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6. ¿Cómo actúa la energía en el flujo del canal? ENERGIA DEL FLUJO EN CANALES ABIERTOS: en hidráulica elemental se sabe que la energía total del agua en pies-lb. Por lb. De cualquier línea de corriente que pasa a través de una sección de canal puede expresarse como la altura total en pies de agua que es igual a la suma de la elevación por encima del nivel de referencia, la altura de presión y la altura de velocidad. 7. ¿Cómo se distribuye los efectos de presión? La presión en cualquier punto de la sección transversal del flujo en un canal con pendiente baja puede medirse por medio de la altura de la columna de agua en un tubo piezométrico instalado en el punto. Al no considerar las pequeñas perturbaciones debidas a la turbulencia, etc., es claro que el agua en esta columna debe subir desde el punto de medición hasta la línea de gradiente hidráulico o superficie de agua. Por consiguiente, la presión en cualquier punto de la sección es directamente proporcional a la profundidad del flujo por debajo de la superficie libre e igual a la presión hidrostática correspondiente a esta profundidad. En otras palabras, la distribución de presiones a lo largo de la sección transversal del canal es igual a la distribución hidrostática de presiones; es decir, la distribución es lineal y puede representarse mediante una línea AB (Figura). Esto se conoce como “ley hidrostática de distribución de presiones.”
En efecto, la aplicación de la ley de hidrostática a la distribución de presiones en la sección transversal de un canal es válida solo si los filamentos de flujo no tienen componentes de aceleración en el plano de la sección transversal. Este tipo de flujo se conoce como flujo paralelo, es decir, aquel cuyas líneas de corriente no tienen curvatura sustancial ni divergencia. En consecuencia, no existen componentes de aceleración apreciables normales a la dirección del flujo, las cuales perturbarían la distribución hidrostática de presiones en la sección transversal de un flujo paralelo.
8. ¿Cómo se mide la velocidad del canal?
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LA MEDICION DE LA VELOCIDAD: la sección transversal del canal se divide en franjas verticales por medio de un numero de verticales sucesivas y las velocidades medias en las verticales se determinan midiendo las velocidades a 0.6 de la profundidad en cada vertical o tomando las verticales promedio a 0.2 y a 0.8 de la profundidad cuando se requieren resultados mas confiables. 9. ¿Cuáles son los tipos de canales artificiales y naturales?
Los canales naturales son las conducciones hidráulicas que existen para el drenaje natural sobre la tierra, como arroyos, ríos, estuarios, etc. Los canales artificiales son los construidos por el hombre para fines de riego, drenaje, generación de energía, navegación, etc. 10. ¿Cuáles son los elementos geométricos de un canal?
y = tirante de agua, altura que el agua adquiere en la sección transversal
b = base del canal o ancho de solera
T = espejo de agua o superficie libre de agua
H = profundidad total del canal
H-y = borde libre
C = ancho de corona
θ = ángulo de inclinación de las paredes laterales con la horizontal
11. ¿Qué importancia tiene la hidráulica en el flujo de agua en canales? La hidráulica es una rama de la física y la ingeniería que se encarga del estudio de las propiedades mecánicas de los fluidos. Todo esto depende de las fuerzas que se interponen con la masa (fuerza) y empuje de la misma.
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12. En soluciones reales de medición de flujo en canales, ¿Cuáles son las pendientes normalizadas? Especifique considerando 100 m de longitud. Pendientes más usadas: 0.0001, 0.001
13. Determine el radio hidráulico de un canal trapezoidal.
√ 14. ¿Qué entiende usted por bordo de un canal? Borde libre.- Es el espacio entre la cota de la corona y la superficie del agua, no existe ninguna regla fija que se pueda aceptar universalmente para el calculo del borde libre, debido a que las fluctuaciones de la superficie del agua en un canal, se puede originar por causas incontrolables.
√ La U.S. BUREAU OF RECLAMATION recomienda estimar el borde libre con la siguiente fórmula: Donde: Borde libre: en pies. C = 1.5 para caudales menores a 20 pies3 / seg., y hasta 2.5 para caudales del orden de los 3000 pies3/seg.
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Y = Tirante del canal en pies
VI.
CONCLUSIONES
En este experimento, determinamos el coeficiente de manning de la superficie en la que realizamos el ensayo. También observamos el flujo de agua atravez del canal asi como también medimos la tirante del mismo.
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