Hid Ro Cinematic A

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LOPEZ MATEOS”

ACADEMIA DE HIDRAULICA HIDRAULICA HIDRAULICA BASICA PRACTICA DE LABORATORIO LABORATORIO HIDROCINEMATICA PROFESOR ROSALIA PEREZ DELGADO ALUMNO SERGIO CALDERON CABALLERO 2012310129 GRUPO 04CM11

ABRIL, 2013

HIDROCINEMÁTICA

CALDERON CABALLERO SERGIO

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OBJETIVO:

Analizar, identificar y clasificar los diferentes tipos de flujo en movimiento en conductos abiertos y cerrados y determinar a partir del número de Reynolds el tipo de régimen que se presenta en un conducto. Así como los patrones de flujo que se presenta al colocar un obstáculo en la corriente, así mismo comprobar la ecuación de continuidad y el teorema de Bernoulli.


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COSIDERACIONES TEORICAS Ecuación de continuidad

Q=VA Donde: Q= Gasto del fluido (m3/s) V= Velocidad del fluido (m/s) A= Área de la sección transversal del conducto. Clasificación de los fluidos Existen diferentes criterios para clasificar los fluidos: Los flujos pueden ser permanentes o no permanentes; uniformes o no uniformes. Tridimensional, bidimensional o unidimensional; laminar o turbulento; incompresible o compresible; rotacional o irrotacional; etc. a) Si existen variaciones en el tiempo Flujo permanente: En este tipo de flujo las propiedades físicas de un fluido como la densidad y la viscosidad, y las características del movimiento como presión, velocidad y esfuerzo tangencial, permanecen constantes en el transcurso del tiempo o bien si las variaciones son muy pequeñas con respecto a sus valores medios y estos no varían con el tiempo.

Flujo no permanente: es todo lo contrario al flujo permanente. b) Si existen variaciones en el espacio. Flujo uniforme: si en un instante particular el vector velocidad es idéntico en cualquier punto del flujo, se dice que el flujo es uniforme. En general, puede expresarse como que las propiedades físicas del fluido y las características de movimiento del mismo, permanecen constantes a lo largo de la trayectoria de movimiento de una partícula de fluido.


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Flujo no uniforme: si las características del movimiento de las partículas del fluido y las propiedades físicas del mismo varían de una posición a otra. c) De acuerdo con las componentes del vector velocidad Flujo tridimensional. Es aquel que varía en el espacio, o sea que los gradientes de flujo existen en las tres direcciones de un plano cartesiano.

Si ds representa el cambio en el espacio en sus tres ejes coordenados. Flujo bidimensional: en este las componentes del vector velocidad se presentan en dos ejes en una familia de planos, no habiendo componente en la dirección perpendicular a dicho plano.

Flujo unidimensional: es el flujo que se presenta en una sola dirección, siendo las trayectorias de las partículas paralelas entre sí, por lo que, el vector velocidad se puede representar con una sola componente, siendo esta el mismo vector velocidad.


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d) De acuerdo a la existencia de variación en la densidad del fluido. Flujo incompresible: En este tipo de flujo la densidad de las partículas que constituyen el fluido mantienen constante su densidad a través del tiempo y el espacio. Esto es:

= Es la variación en el espacio.

Flujo comprensible: es el flujo con características contrarias a las del flujo incompresible.

e) Considerando la viscosidad del fluido Flujo real: En este caso, se considera que la viscosidad del fluido en movimiento es mayor que cero, generando esfuerzos cortantes entres sus partículas y respecto a las fronteras del mismo.

>0;

t >0;

Flujo ideal: Para que un flujo sea ideal se debe considerar que la viscosidad del fluido en movimiento es igual a cero o prácticamente despreciable. En el caso de un


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fluido teórico se considera que la viscosidad es nula =0 y t =0; del mismo modo se puede presentar el caso de un fluido real pero fuera del alcance del efecto friccionante provocado por el contacto entre el fluido y las fronteras que limitan el campo de flujo.

f) Tomando en cuenta las Leyes de Inercia y Gravedad. Relaciona el efecto de las fuerzas de inercia con las fuerzas de gravedad las cuales actúan sobre un fluido.

Cuando el número de Froude se encuentra en canales abiertos informa sobre el estado del flujo hidráulico, mientras que cuando el número de Froude se encuentra en un canal se conoce como:

Dónde: v: velocidad media de la sección del canal [m/s] Dh: Profundidad hidráulica (A/T) [m]. A es el área de la sección transversal del flujo y T el ancho de la lámina libre. g: es la aceleración de la gravedad [m/s²]


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Si: Fr<1

…

Es de régimen subcritico (lento)

Fr=1

…

Es de régimen Critico

Fr>1

…

Es de régimen Supercrítico (rápido)

Cuando al número de Froude V2/gl, se multiplica y divide por rA, se tiene como resultado la relación de la fuerza dinámica, también conocida como la fuerza de inercia en relación al peso. g) Considerando la turbulencia del flujo. La turbulencia de un flujo se define como el estado de agitación de las partículas del fluido en movimiento. La turbulencia es un resultado propiamente de la viscosidad del fluido y se mide de acuerdo con una clasificación establecida por Reynolds (conocida como número de Reynolds). De acuerdo con el número de Reynolds los flujos se clasifican en: Flujo laminar: Este flujo se caracteriza porque el movimiento de las partículas se produce siguiendo trayectorias separadas perfectamente definidas, no necesariamente paralelas, sin existir mescla macroscópica o intercambio transversal entre ellas. En tuberías trabajando completamente llenas 0
Flujo transitorio: en este tipo de flujo la trayectoria de las partículas se ondulan, sin llegar a presentarse el efecto de mezclado total. En este caso 2320

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Flujo turbulento: En este flujo, las partículas se mueven sobre trayectorias completamente erráticas, sin seguir un orden establecido; se presenta en flujos con grandes velocidades y se puede reconocer fácilmente por la gran irregularidad del movimiento. De acuerdo con el número de Reynolds Re>3000.


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MATERIAL Y EQUIPO UTILIZADO

Cantidad 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1


material/sustancia Canal de corrientes Mesa de Reynolds Copa graduada Cronometro Termómetro Tubería de cobre con piezómetro Perfil con sección rectangular. Perfil con sección cuadrada. Perfil con sección circular. Perfil con sección media luna. Perfil con sección punta de bala. Perfil con sección aerodinámica. Perfil con sección hidrodinámica. Vernier o pie de rey Tanque de carga constante Agua

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HIDROCINEMÁTICA Para poder realizar la práctica de laboratorio fue necesario utilizar un canal de corrientes previamente preparado por los profesores a cargo del laboratorio de hidráulica básica, esto consto de integrarles Trazadores, es decir, pequeñas partículas de sustancias en forma de esferas que no eran más que baquelita y aserrín de acrílico.

Mediante los trazadores se observaba el flujo del agua (en el interior del canal de corrientes), gracias a que el agua transporta la infinidad de trazadores que incluía y estos a la vez van dibujando el flujo de la corriente del agua. La velocidad del flujo del canal de corrientes se manipulaba mediante un tornillo que se encontraba en la parte superior del canal. Para nuestra comodidad al observar fue necesario colocar una velocidad del flujo, lenta. Al tener un flujo lento (subcritico), de acuerdo a la clasificación de Froude, también es de Régimen Permanente (no varía en el tiempo), además es Uniforme (por que no tiene variaciones de velocidad de una sección a otra), es a la vez incomprensible (por ser una de las características de


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los líquidos), y según a la clasificación de Reynolds es de Régimen de Transición, por el motivo de que el flujo deriva ondulaciones sin rebotes. También alcanzamos a ver la altura del tirante (distancia desde la superficie del agua hasta el fondo) que en toda la sección era la misma.

De la variedad de perfiles, comenzamos a utilizar la de placa plana. Pasamos a introducirla a la corriente de agua, para hacerlo había dos medidas para colocarla, la primera era en “semiahogada” que era introducida la placa solo a la mitad dentro del agua y la otra era “sumergida” que era introducir la placa a la distancia más profunda de la corriente, pero para nuestra practica la colocamos a una distancia intermedia de las dos, es decir, a la mitad del tirante del agua, donde la placa estaba completamente dentro del agua.


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Al colocar la placa plana a una distancia intermedia estábamos simulando un vertedor.

Realizándolo nos dimos cuenta que el flujo tuvo variaciones apreciables. Del perfil hacia la derecha (contra la corriente) le llamamos “aguas arriba”, y

la parte izquierda(a favor de la corriente), “aguas abajo”.

Aguas arriba del perfil nos dimos cuenta que la altura del tirante es la mayor, y recibe el nombre de “tirante mayor”.

Pero aguas debajo del perfil ocurría un salto parabólico, esto pasa por que el agua se adopta a las condiciones que se le aplican.


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Donde termina el s alto parabólico encontramos el “tirante menor”, pero después de eso observamos una especie de recuperación, a esto se le llama “tirante conjugado menor”. Avanzando aguas abajo tenemos el “tirante conjugado mayor”. Todo esto es llamado “salto

hidráulico”. Todo ese oleaje se genera por el cambio de energía, esto a la vez al contener parte de la masa del agua con el perfil de placa plana. El salto hidráulico ocasiono un cambio de régimen de Supercrítico a Subcritico. También ocasiono un cambio de energía, de energía cinética a energía potencial.

Pero también dentro del agua hubo grandes alteraciones del flujo. En la zona donde se encontraba la placa se ocasionaba los llamados “Vórtices sumergidos”, que son un estilo de remolinos ocasionados por el choque de la dirección del agua con alguna superficie sólida. Esta contención de material provoca los llamados “Azolves”.

De la misma forma aguas abajo provocados por choques de las direcciones del agua se ocasionaban “vórtices superficiales” por estar en la superficie del agua.


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Con este primer perfil nos dimos que con una pequeña placa genera muchísimas alteraciones en el flujo, dirección y en el tirante del agua. Después de realizar las observaciones del perfil de placa plana procedimos al siguiente perfil que era el del cuadrado. Con este perfil (cuadro) observamos que las variaciones eran casi las mismas, a excepto de la variante de que el tirante conjugado menor no se aprecia muy bien. Sucede que el sólido sumergido en el agua no provoca tanta alteración de dirección del agua, por esto provoca que los vórtices superficiales sean de menor magnitud, así mismo, el tirante conjugado es mínimo a comparación del perfil de la placa plana. De igual manera pasamos el perfil de medio círculo o media luna. En este observamos que al entrar en contacto con la corriente del agua se levantaba mayor la altura del tirante crítico, esto pasó debido a que la forma del perfil impedía el paso de una considerable porción de masa. Al igual que los anteriores perfiles, provoco vórtices superficiales y sumergidos. Procedimos a sumergir el perfil circular. En este el salto hidráulico fue menor, ya que el material sumergido tenia forma de dejar pasar porción de flujo libre, además que hubo menos vórtices que en los perfiles pasados. Continuando con la práctica, sumergimos el siguiente perfil, que era el parabólico, o también conocido como media bala. De igual forma observamos la variación de vórtices que los perfiles pasados, entonces vimos que eso dependía de la forma de cada uno de los perfiles. los vórtices fueron menores, los tirantes también fueron mínimos, en fin, el salto hidráulico vario sus dimensiones al compararlos con los anteriores. El siguiente perfil fue el “aerodinámico”. Viendo las variaciones dentro del agua, nos dimos cuenta que casi no provoca alteraciones considerables en su flujo. Debido a su forma del perfil que tiene ocasiona que la corriente se adapte de una forma pacífica a su contorno por esto los vórtices ocasionados son mínimos. Y por último, colocamos el perfil “hidrodinámico”, este consta que debido a su estructura no ocasiona ninguna alteración en el flujo de la corriente.


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Al colocarlo nos dimos cuenta que ciertamente el flujo de agua no tuvo vórtices algunos, no hubo salto hidráulico, al parecer esta geometría de perfil actúa favorablemente dentro de agua. El perfil hidrodinámico ha pasado desapercibido dentro de la corriente de agua. Con esto concluimos al poner en práctica la ecuación de continuidad, mediante las variaciones de la corriente al actuar un objeto sobre la corriente.


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COMPROBACION DE ECUACION DE CONTINUIDAD Para poder seguir nuestra práctica necesitamos la ayuda de un instrumento de laboratorio conocido como “La Mesa de Reynolds”.

Esta constaba de todo un sistema de conexiones que empezaba por el tanque de carga, que no era más que un recipiente de forma prisma rectangular a la cual se interconectaba a una tubería de cobre de un diámetro mínimo de 1.05 cm, a la ves conectada por 4 piezómetros a distancias variables. Y al final del tubo principal se mantenía abierta como salida del agua. Empezamos llenando el tanque de carga con agua común a una marca estándar propuesta por el laboratorista. Mientras se llenaba se tuvo que cerrar la salida de agua, para poder llenarla. Ya lleno el tanque observamos que los 4 piezómetros mantenían la misma altura de nivel de agua.


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Después de eso, el laboratorista abrió la salida de agua(que se mantenía cerrada desde el llenado), fue entonces donde observamos que el nivel de agua marcado por cada piezómetro era diferente, pero que tenía una relación, porque la altura máxima la tenía el tanque luego le seguía el piezómetro que estaba más cerca de él, después el siguiente y así sucesivamente, cada uno de ellos con altura de nivel de agua proporcional, hasta llegar al último que era el que tenía el menor nivel de altura de agua. Entonces, las alturas de nivel da agua formaba una línea recta en forma descendente desde el tanque hasta llegar a la salida de agua. Para comprobar la ecuación de continuidad. Realizamos lo siguiente: Se captó cierta volumen de agua que salía por la tubería del sistema, y se tomó el tiempo con el cronometro, así pudimos sacar la velocidad a la cual se descargaba el agua. 885 ml en 7.5 seg.

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V= 885ml/7.5 seg V= 118 ml/seg

Después, con las medidas de la tubería pudimos sacar el área de la misma. Diámetro=1.05 cm

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A= π R2

A= (3.14) (0.525 cm) 2 A= 0.865 cm2 Así, calculamos el Gasto en la tubería. G= V A

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G= (118 ml/seg) (0.865 cm2) G= 102.07


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CUESTIONARIO 1.- Enunciar el Principio de la Conservación de la Masa y la ley de la Conservación de energía. Principio de la Conservación de la Masa: “En una reacción química ordinaria la masa permanece constante, es decir, la masa consumida de los reactivos es igual a la masa obtenida de los productos”

La ley de la Conservación de energía. La energía no se crea ni se destruye solo se transforma. Esto significa que no podemos crear energía, es decir, por ejemplo: podemos transformarla de energía cinética a energía potencial y viceversa. 2.- Definir que es la Línea Piezométrica, Línea de Energía, Horizonte Energía, Plano Horizontal de Comparación. Línea Piezométrica La línea Piezométrica es la línea que une los puntos hasta los que el líquido podría ascender si se insertan tubos piezométricos en distintos lugares a lo largo de la tubería o canal abierto. Es una medida de la altura de presión hidrostática disponible en dichos puntos. En un sistema de tubos está formada por el lugar geométrico de los puntos localizado a una distancia p/γ sobre el centro del tubo p/γ+z sobre un nivel de referencia seleccionado, el líquido de un tubo piezométrico se

eleva hasta la Línea Piezométrica. Plano Horizontal de Comparación. Cualquier punto, línea o superficie que se emplea como referencia para medir alturas. También llamado dato, nivel de comparación, nivel de referencia, plano de referencia. Línea de energía También es llamada línea de carga. La energía total del flujo en cualquier sección, con respecto a un plano de referencia determinado, es la suma de la altura geométrica o de elevación Z, la altura Piezométrica o de carga, y, y la altura cinética o de presión dinámica V2/2g. La variación de la energía total de una sección a otra se representa por una línea denominada de carga o de energía y también gradiente de energía. 3.- Mencionar las aplicaciones más importantes de Bernoulli y de la Ecuación de la Continuidad. Tiene varias aplicaciones en todo lo que es movimiento de fluidos especialmente en tuberías/cañerías. Permite calcular las velocidades y presiones en distintos tramos, pero además sirve para evaluar las pérdidas de presión, y simular la distribución de caudales (gastos, flujos, en litros /s, m³/s, o por hora, etc.) en cañerías y sistemas hidráulicos con diferencia de diámetros, alturas, distintas


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obstrucciones al paso del fluido (líquido o gaseoso, o sea neumáticos también). Una evaluación que suele hacerse es evaluar la fuerza de sustentación sobre las alas de un avión. Se basa en despreciar la diferencia de alturas geométrica entre las caras superior e inferior del ala, pero considerando la diferencia de velocidades y la superficie alar. Otra aplicación es el tubo Venturi, que sirve para medir caudales y velocidades de fluidos en cañerías por diferencia de presiones entre dos puntos en uno de los cuales hay una restricción a la circulación.

4.- Tipo de Flujos que se presentan en rios y arroyos, explique porque. En régimen No Permanente, con respecto del tiempo. Ya que un rio y/o arroyo varían sus corrientes de agua en determinadas ocasiones dependiendo del clima, estaciones del año, o después de algún desastre natural, en general, sus flujos de agua no son constantes porque siempre están en transición.

5.- Definir el Flujo Uniforme, No Uniforme, Flujo Permanente, Flujo No Permanente. a) Si existen variaciones en el tiempo Flujo permanente: En este tipo de flujo las propiedades físicas de un fluido como la densidad y la viscosidad, y las características del movimiento como presión, velocidad y esfuerzo tangencial, permanecen constantes en el transcurso del tiempo o bien si las variaciones son muy pequeñas con respecto a sus valores medios y estos no varían con el tiempo.

Flujo no permanente: es todo lo contrario al flujo permanente. b) Si existen variaciones en el espacio. Flujo uniforme: si en un instante particular el vector velocidad es idéntico en cualquier punto del flujo, se dice que el flujo es uniforme. En general, puede expresarse como que las


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propiedades físicas del fluido y las características de movimiento del mismo, permanecen constantes a lo largo de la trayectoria de movimiento de una partícula de fluido.

Flujo no uniforme: si las características del movimiento de las partículas del fluido y las propiedades físicas del mismo varían de una posición a otra.

6.- Que es la línea de Corriente. Una línea de corriente es una línea continua trazada a través de un fluido siguiendo la dirección del vector velocidad en cada punto. Así, el vector velocidad es tangente a la línea de corriente en todos los puntos del flujo. No hay flujo a través de una línea de corriente, sino a lo largo de ella e indica la dirección que lleva el fluido en movimiento en cada punto.


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CONCLUSION

Mediante la práctica pudimos identificar y clasificar mediante el análisis los diferentes tipos de flujo en movimiento en conductos abiertos y cerrados. Así como determinar el tipo de régimen que se presenta en un conducto. De la misma forma comprobamos la ecuación de continuidad y el teorema de Bernoulli.

COMENTARIO PERSONAL Interesante, esta fue una práctica demasiado interesante ya que mediante la experimentación, aunque solo fue demostrativa, pudimos comprender principios que conforman la hidrocinemática, además nos ayudó a conocer las aplicaciones que se pueden tener mediante estos grandes principios.


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BIBLIOGRAFIA

Hidráulica general, volumen I fundamentos Sotelo, Gilberto. México 1995.

Mecánica de fluidos Streeter 8va. Edición

Mecánica de fluidos Shames 3ra. Edición- McGraw Hill


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Hid Ro Cinematic A

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