INFORME DE LABORATORIO DE HIDRAULICA
ENSAYO DE FLUJO UNIFORME
PRESENTADO POR:
ANGIE NATALIA ANZOLA, JOCELYNE LOPEZ BERNAL
OBJETIVOS
Identificar características de flujo uniforme y flujo variable en el canal de prueba.
Estimar el coeficiente de rugosidad n de Manning para un canal de vidrio templado.
INTRODUCCIÓN
El Flujo Uniforme indica que los parámetros de tirante, velocidad, área, etc, no cambian con el espacio lo cual genera que ciertas características como profundidad, área transversal, velocidad y caudal en todas las secciones del canal sean constantes. Así mismo, la línea de energía, la superficie libre del agua y el fondo del canal deben ser paralelos. (Villón, 2.008)
En el año de 1769 el Ingeniero Francés Antaine Chezy desarrollaba probablemente la primera ecuación que modela el flujo uniforme, con la famosa ecuación de Chezy que se expresa como:
V=CRS Ecuación 1.
Donde:
V= velocidad media del canal en m/s.
C= Coeficiente de Chezy que depende de las características del escurrimiento y de la naturaleza de las paredes.
R= radio hidráulico, en m.
S= pendiente de la línea de energía, para el flujo uniforme. (Ven te Chow, 2004)
La fórmula de Manning se usa en muchas partes del mundo. y Se genera de considerar en la fórmula de Chezy un coeficiente C, de forma monómica, igual a:
C= 1nR^(16) Ecuación 2.
Luego:
V= 1nR^(16)RS Ecuación 3.
V=R^23S^(12) Ecuación 4.
La ecuación 4, es la ecuación de Manning en donde:
V= velocidad en m/s.
R= radio hidráulico, en m.
S= pendiente de la línea de energía, en m/m.
n= coeficiente de rugosidad; se ha estandarizado ciertos valores propuestos por Horton, se usan los mismos valores que se utilizan en la fórmula de Ganguilet – Kutter. (Villón, 2004)
MATERIALES Y METODOS
Los materiales necesarios para el desarrollo de la práctica son:
Canal hidráulico.
Cronómetro.
Imagen 1. Canal hidráulico del laboratorio.
MARCO TEÓRICO
Con la realización de esta práctica se pretende que el estudiante se familiarice
con los conceptos de flujo uniforme y flujo no uniforme, identificando las zonas del canal donde se presentan. Igualmente, se pretender determinar experimentalmente el coeficiente de Manning, n, para el material del canal.
Tipos de Flujo
El flujo en canales abiertos puede clasificarse de acuerdo con el cambio en la
profundidad de flujo con respecto al tiempo y con respecto al espacio.
Considerando el tiempo como criterio se clasifica en: Flujo Permanente y Flujo
No Permanente.
El flujo es permanente si la profundidad de flujo permanece constante durante el intervalo de tiempo en consideración. Por el contrario, el flujo es No Permanente si la profundidad cambia con el tiempo.
Para los casos en los cuales se presenta flujo permanente el caudal es constante y por tanto es válida para cada una de sus secciones la siguiente expresión:
Q =V1 A1= V1A2 =. . .= VnAn
Donde los subíndices indican las secciones en las que está compuesto un canal.Esta expresión es conocida como Ecuación de continuidad y es válida
únicamente para flujos permanentes.
Por otra parte, considerando el espacio como criterio, se clasifica en: Flujo uniforme y Flujo Variado.
El flujo es uniforme si sus características físicas y específicamente su profundidad permanecen constantes a lo largo de todas las secciones del canal.
En el otro caso, el flujo es variado si su profundidad cambia entre las diferentes secciones que conforman el canal. Este tipo de flujo se puede clasificar a la vez en gradualmente variado y rápidamente variado de acuerdo con la rapidez en que se produzca dicho cambio. En el flujo rápidamente variado la profundidad de flujo cambia de manera abrupta en distancias comparativamente cortas, de otro modo el flujo es gradualmente variado.
Estado de Flujo
El comportamiento de los flujos en canales abiertos está gobernado por los
efectos de viscosidad y gravedad en relación con las fuerzas inerciales del flujo.
Según el efecto de la viscosidad en relación a la inercia, el flujo puede ser
laminar, turbulento o transicional; siendo esta clasificación determinada por el Número de Reynolds.
R=vlθ
Donde V es la velocidad de flujo, L es una longitud característica (consideradacomo el radio hidráulico, R) y θ es la viscosidad cinemática del agua.
Por otra parte, considerando el efecto de la gravedad el flujo puede ser subcrítico, crítico o supercrítico. En este caso, se relacionan las fuerzas inerciales y las fuerzas gravitacionales y está representado por el número de Froude.
F=vgl
Donde v es la velocidad de flujo, L es una longitud característica (considerada
en canales abiertos como la profundidad hidráulica, D) y g es la aceleración de
la gravedad. La profundidad hidráulica está definida como la relación entre el
área de la sección hidráulica perpendicular al flujo y el ancho de la superficie
libre.
Propiedades geométricas del canal
Profundidad de flujo, y
Profundidad de flujo de la sección, d
Ancho superficial, T
Área mojada, A
Perímetro mojado, P
Radio Hidráulico, R
Profundidad Hidráulica, D
Flujo Uniforme
Tal como se mencionó anteriormente, se considera flujo uniforme aquel flujo
en donde el nivel de agua y la velocidad de flujo permanecen constantes a lo
largo del canal. Esto sólo es posible si las características hidráulicas del canal
se mantienen igualmente constantes.
Por lo anterior se puede expresar que el flujo uniforme se presenta cuando:
dvdx=0, dvdx=0
La profundidad que se mantiene constante para que se presente el flujo uniforme, es conocida como profundidad normal y se conoce como yn. Dos de las expresiones desarrolladas para explicar el flujo uniforme fueron desarrolladas por Manning y Chezy.
Ecuación de Chezy (1789)
V=CR,S0
Donde C es el coeficiente de Chezy
Ecuación de Manning (1889) – Sistema Internacional
v=1nR2/3S1/2
Donde n es el coeficiente de rugosidad de Manning
Coeficiente de Manning
El coeficiente de rugosidad de Manning se determinará empleando la ecuación
señalada en términos de caudal.
Q=AnR2/3S1/2
Expresión que puede ser expresada de la siguiente manera:
=nQS1/2
Donde dicha ecuación, presenta la forma de una línea recta con origen en (0,0)
y=mx
Por lo tanto, graficando en un plano cartesiano, el término AR23 sobre el eje vertical (eje y) y el término QS1/2 en el eje de las abscisas (eje x), se obtendrá
una línea recta donde la pendiente será el coeficiente n de Manning.
PROCEDIMIENTO
1. Establezca y registre una pendiente para el canal.
2. Encienda el sistema de bombeo.
3. Establezca un caudal mediante la válvula de control del banco hidráulico.
Espere a que se estabilice el flujo.
4. Mida, mediante el banco hidráulico, el caudal configurado. Realice cinco mediciones del mismo caudal y obtenga un promedio de éstas.
5. Observe el comportamiento del flujo a lo largo del canal, identifique por lo menos dos secciones y tome la altura de la lámina de agua en cada una de ellas.
6. Mida la profundidad de la lámina de agua en inmediaciones del borde del canal.
7. Modifique el caudal mediante la válvula de control del banco hidráulico y repita en tres ocasiones los pasos 4 y 5.
BIBLIOGRAFÍA
Ven Te Chow. Hidráulica de Canales abiertos. Mag Graw Hill. Santafé de Bogotá, 2004. Páginas: 87-99.
Máximo Villón. Hidráulica de Canales. Lima, Perú, 2008. Páginas: 62-71.
UNIVERSIDAD DE LA COSTA
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS
FACULTAD DE INGENIERÍA
