Laboratorio Nº 5
Practica de
HIDRAULICA HIDRAULICA Universidad de Cartagena
APLICACIÓN DE LA ECUACION DE MOMENTUM EN CANALES ESTUDIO DEL RESALTO RESALTO HIDRAULICO EN UN CANAL GRUPO Nº1 Bernal Baena Cristoper! Al"al# Marr$%o A%$st&n! Mart&ne' Gar"&a L$is! Ca(ar"as P$ello Cesar! Pere' E)$ar) 1
Facultad de Ingeniería, Programa de Ingeniería Civil, VI Semestre Universidad de Cartagena
Gr$po *+
!SU"!N !n #idr$ulica la utili%aci&n ' el an$lisis de los (rinci(ios de !nergía ' de "omentum )uegan una (a(el mu' im(ortante a la #ora de estudiar ' com(render el com(ortamiento com(ortamiento del *lu)o en canales abiertos, así como los cambios ' variaciones +ue se (resentan en su estado, lo cual es uno de los *actores (revalecientes en la inter(retaci&n de *en&menos locales tales como la caída ' el resalto #idr$ulico !ste in*orme de laboratorio laboratorio (resenta el an$lisis de la a(licaci&n a(licaci&n de la ecuaci&n de "omentum en canales, así como como el estudio del resalto #idr$ulico en un canal, esto con el *in de *amiliari%arnos con los (ar$metros +ue intervienen en el com(ortamiento de un resalto #idr$ulico, a*ian%ar los conce(tos a(rendidos sobre *uer%a es(ecí*ica ' calcular las (-rdidas de energía energía +ue origina un resalto P.L./.S CL.V!S0 esalto, irante, Fuer%a es(ecí*ica, !*iciencia ABSTRACT ABSTRACT To generate a hydraulic jump is essential to force the flow to pass it a subcritical one supercritical state, in this laboratory was achieved by passing the flow below a sliding gate and another gate simultaneously taking away from the first !ndeed this was found by calculating the "roude number before and after the projection #"$% & "$' & '()* and +)(- and showing a loss of energy by a change in the straps so natural reverse, ie lowest to highest .e efficiency of this projection was %', which means that their /uality to be used as an energy sink was not much
KEYWORDS: 0ighlight, Tirant, Tirant, specific specific force, force, 1fficiency
1, INTR INTROD ODU UCCI CCIÓN -, MARCO TEORICO 2entro 2entro de los *en&me *en&menos nos locale localess +ue con *recue *recuenci nciaa buscamos re(licar est$ el resalto resalto #idr$ulico, (or+ue como como cambio brusco del estado del *lu)o con ra(ide% ' en una distancia corta act3a como disi(ador de energía, es decir, como regulador de velocidades a lo largo de la transici&n del *lu)o en el canal, de esta manera evitamos +ue la *uer%a del agua (ueda (roducir socavaci&n en el canal ' tambi-n se (ueda tener el control sobre la altura del agua en un cana canall de irri irriga gaci ci&n &n o algu alguna na estr estruc uctu tura ra (ara (ara distribuci&n de aguas odo ello se debe tener en cuenta en el dise4o de estructuras con cambios re(entinos de *lu)o ' de allí la im(ortancia del resalto
Una a(licaci&n a(licaci&n directa de los (rinci(ios (rinci(ios de energía energía ' cant cantid idad ad de movi movimi mien ento to,, (art (artic icul ular arme ment ntee de los los conce(tos de energía es(ecí*ica, *uer%a es(ecí*ica ' *lu)o gradualmente variado, es el *en&meno +ue se desarrolla en un *lu)o uni*orme a su(er*icie libre +ue se denomina !S.L 6I2.ULIC La (resencia de un resalto #idr$ulico en un canal se debe al cambio de ti(o de *lu)o Si se cambian las condiciones normales del *lu)o (or este cana canal, l, medi median ante te un cont contro rol, l, se gene genera ra un *lu) *lu)o o su(erc su(ercrít rítico ico ' aguas aguas deba)o deba)o de este este (unto (unto del *lu)o, *lu)o,
gradualmente variado, (ro*undidad crítica718
tratara
de
conseguir
la
!l cambio r$(ido en la (ro*undidad del *lu)o desde un nivel ba)o a un nivel alto, generalmente (roduce una subida abru(ta de la su(er*icie del agua, a este *en&meno se le denomina esalto 6idr$ulico Se (resenta generalmente en un canal (or deba)o de una com(uerta (lana vertical, aguas aba)o de un vertedero o donde un canal con alta (endiente se vuelve casi #ori%ontal o en contra (endiente de manera re(entina
Alt$ra )el resalto, La di*erencia entre las (ro*undidades antes ' des(u-s del resalto se denomina la altura del resalto ' se e<(resa en *orma absoluta ' relativa como0
La (ro*undidad antes del resalto se conoce como (ro*undidad inicial 9'1: ' es siem(re menor +ue la (ro*undidad des(u-s del resalto la cual se denomina (ro*undidad secuente 9';: Las relaciones entre la (ro*undidad inicial ' secuente se muestran en las siguientes e<(resiones0
odas las *unciones relativas anteriores son *unciones de F1, como (or e)em(lo0
La (-rdida de energía en un resalto #idr$ulico en *unci&n de las tirantes inicial ' secuente est$ dada (or0
Lon%it$) )el resalto i)r#$li"o,
Y
1 " e d a n r e t l a d a d i d n u f o r P ´ 2 " e d a n r e t l a d a d i d n u f o r P
Y
#ínea de energía
Y2´
Se de*ine como la longitud medida desde la cara *rontal del resalto #asta un (unto en la su(er*icie inmediatamente aguas aba)o del remolino !n teoría esta longitud no (uede determinarse con *acilidad (ero #a sido investigada e<(erimentalmente (or muc#os ingenieros #idr$ulicos Se #an reali%ado gr$*icas e<(erimentales entre el n3mero de Froude F1 ' las relaciones, L=9';>'1:? L='1,L=';
P2´ dE
Y2
Yc Y1
E1 E2
C´ !
P1´
E2 dE E1 E
Curva de energía específica
P2
Y2
P2"
Yc
C P1
Y1
Profundidad crítica Profundidad inicial
Tipos )e resalto 0-
F1=F2 Curva de fuerza específica
Resaltohidrulico
.i%$ra 1 esalto #idr$ulico en *unci&n de la curva de energía es(ecí*ica ' *uer%a es(ecí*ica
E/i"ien"ia )e $n resalto i)r#$li"o, La relaci&n entre la energía es(ecí*ica antes ' des(u-s de un resalto se denomina la e*iciencia del resalto ' est$ dada (or la siguiente e<(resi&n0
F
!l /ureau o* eclamation investig& di*erentes ti(os de resalto #idr$ulico en canales #ori%ontales, cu'a base de clasi*icaci&n es el n3mero de Froude, a saber0
Fr 1=1 →
Flu)o crítico, (or lo +ue no se *orma
ning3n resalto
Fr 1=1 a 1.7 →
La su(er*icie del agua #ace ondas
(ero aun no se (ruduce un +uiebre en el +ue a(are esalto #idr$ulico ondulante
Fr 1=1.7 a 2.5 →
!l
ondulamiento
de
la
las
su(er*icie en el tramo de me%cla es ma'or ' aguas aba)o (erturbaciones su(er*iciales #idr$ulico d-bil
Fr 1= 2.5 a 4.5 →
son
menores
esalto
!
desde el *ondo del resalto #acia la su(er*icie ' se devuelve sin (eriocidad alguna Cada oscilacion (roduce una onda grande esalto 6idraulico scilante
Fr 1= 4.5 a 9.0 →
Se
trata
de
un
resalto
(lenamente *ormado, con ma'or estabilidad ' el rendimiento es me)or, (udiendo variar entre A5 B a D B esalto #idra3lico (ermanente
Fr 1 > 9 →
esalto con gran disi(aci&n de energía
9#asta ED B:, gran ondulaci&n de la su(er*icie con tendencia de traslado de la %ona de r-gimen su(ercrítico #acia aguas aba)o
No De Me)i"iones
2, MATERIALES 3 METODOS Los materiales usados (ara e*ectuar este laboratorio *ueron0 Canal rectangular "edidor de tirantes ; Com(uertas desli%antes /omba de succi&n .gua an+ues de almacenamiento ubo de (itot Inicialmente colocamos el canal en (osici&n #ori%ontal 9(endiente igual a cero: ' la com(uerta en la mitad de la longitud del canal Luego encendimos la bomba (ara suministrar *lu)o al canal con determinado caudal ' es(eramos varios minutos a +ue se estabili%ara
/a)amos la com(uerta #asta +ue +uedara con una abertura m$s menos (e+ue4a,#idr$ulico (ero teniendo cuenta de esalto seg3nen No 2e .i%$ra - oi(os +ue no se derramara el agua ' simult$neamente se Froude antes del resalto levant& otra com(uerta al *inal del canal (ara evidenciar el resalto #idr$ulico 2es(u-s de +ue se estabili%& medimos la (ro*undidad en tres secciones a lo largo del canal, tanto aguas arriba como aguas deba)o del resalto com(uerta .sí como las Tirantes 567 Alt$ra )e presiones res(ectivas di*erencias 567 de (resiones con el tubo Antes Desp$8s Antes Desp$8s )el )el )el )el de (itot
Resalto
Resalto Resalto Pri6er "a$)al
Resalto
.as lecturas se hicieron con un 2nico caudal
DDA@ D1A D,;;G D,D1@ 1 DDAA D151 D,;; D,D1@ DDAE5 D15A D,;@A D,D15 2 Ta(la 1 Datos o(teni)os en el la(oratorio Pro6e)io 9,94:9,1:12 9!--+ 9!912; Le"t$ra )el "a$)al< +"6 en el t$(o )e =ent$ri Ca$)al <-4,>9> L?s
4, ANALISIS DE RESULTADOS Una ve% obtenido los valores nos en*ocamos en encontrar la *uer%a es(ecí*ica ' la energía antes ' des(u-s del resalto, (ara ello es necesario calcular $rea, velocidad ' caudal, entonces, a(licamos las *ormulas a(rendidas res(ectivamente
A = y ∙ b 9!n
m
2
¿
2onde ' H tirante? b H anc#o
Q =V ∙ A
N$6ero De Me)i"iones
3
5!n m / s :
Tirantes 567 Antes )el resalto Desp$8s )el resalto Pri6er "a$)al
1 1 1 Pro6e)io 1
Tie6pos 5se%7 Antes )el resalto Desp$8s )el resalto Distan"ia 9!> 6 Distan"ia 9!;9 6
D,DA@DD
D,1ADD
,E5
D,E
D,DAADD
D,151DD
D,EE
D,D
D,DAE5D
D,15ADD
D,D
1,;D
9!94:1;
9!1:122
9!>@
9!++
omamos como e)em(lo la magnitud (romedio obtenida antes del resalto, denomin$ndolas con subíndice 1
A 1=0.045 16 m ∙ 0.3 m = 0,013548 m
2
V 1=
No de Froude 1 H
( 0,8 mts ) =0,9195 m / s (0,87 seg ) 2
Q1=0,013548 m ∙ 0,9195
0,9195
=
m =0,012457 m3 / s s
es(ectivamente calculamos *uer%a es(ecí*ica ' energía es(eci*ica
2
2
V 0,9195 m / s E1= y + =0,04516 m+ = 0,08825 m 2g m 2∗9.81 2 s
2
0,045 16 Q 2 F 1= ´y A + = m ∙ 0,013548 m + gA 2
(
0,012457 m
s 2
0,013548 m
)
3 2
∗9.81
m
=1,47348 m3
2
s
As3 mismo hicimos con los valores de tirante despu4s de resalto con su respectiva velocidad
A 2=0,15133 m ∙ 0.3 m= 0,045399 m V 2=
( 0,6 m) ( 0,99 seg )
=0,60606 m / s
2
No de Froude ; H 0,60606
=0 4
2
Q2=0,045399 m ∙ 0,60606
m =0,027514 m3 / s s
es(ectivamente calculamos *uer%a es(ecí*ica ' energía es(eci*ica 2
2
V 0,60606 m / s E2= y + =0,15133 m + =0,17005 m 2g m 2∗9.81
(
2
Q 0,1 5133 2 F 2 = y m ∙ 0,045399 m + ´ A+ = 2 gA
∴
Alt$ra )el Resalto
2
s
)
3 2
0,027514 m
s 2
0,045399 m ∗9.81
→ y 2 − y 1=0,10617 m
∴
m s
=0,0051348 m
3
2
Per)i)a )e Ener%ia
¿ E2− E 1=0,0818 m
Medición
Antes )el Resalto Desp$es )el Resalto
Tirante promedio (m
!e"ocidad (m#$
D,DA51G
D,15
D,151@@
D,GDGDG
%rea mo&ada (m'
Cada" (m)#$
0,013 548
0,0 12457
0,045399
0,027514
Ener*+a e$peci,ica (m
-er.a e$peci,ica (m)
D,DEE;5
1,A@AE
D,1DD5
D,DD51@A
Ta(la -, Ta($la"in )e res$lta)os, Co6para"iones
Fuerza especifca vs tirante 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
Gra/i"o 1, .$er'a espe"i/i"a "on tirantes pro6e)ios o(teni)as en el la(oratorio,
Energia especifca vs tirante 0.18 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
Gra/i"o -, Ener%&a espe"i/i"a "on tirantes pro6e)ios o(teni)as en el la(oratorio, :, CONCLUSIONES 3 RECOMENDACIONES •
!l resalto se generado se #a de clasi*icar en esalto 6idr$ulico ondulante (or+ue el n3mero de Froude .guas aba)o 9antes del resalto: *ue de magnitud 1,@E1AG
•
718 uía de laboratorio 2e(artamento de #idr$ulica esalto #idr$ulico Universidad de Cartagena 7;8 Ca(itulo 5 2isi(aci&n de energía Pe+ue4as obras #idr$ulicas oger "attos omado de #tt(0==JJJunescoorgu'=(#i=libros=obras#idraul=inde<# tml
Para (rovocar un resalto #idr$ulico es necesario +ue *uer%as de *lu)o en sentido contrario (rovo+uen un c#o+ue de (artículas, +ue acom(a4ado de turbulencia, tienden a via)ar en sentido contrario a la direcci&n del *lu)o, durante ello se absorbe aire ' se (resentar$ una me%cla de aire ' agua
;, RE.ERENCIAS BIBLIOGRA.ICAS
7@8 6idr$ulica de Canales .bierto Ven te C#oJ Pag @E "c, raJ 6ill ;DD 7A8 longitud del resalto #idr$ulico omado de #tt(0==*luidoseiaeduco=#idraulica=libre=r#Klongitud#tml
