LABORATORIO “
RESALTO Y PERFILES HIDRAULICOS” CURSO: HIDRÁULICA DE CANALES DOCENTE: LUIS CHERO VALENCIA.
INTEGRANTES
CODIGO
Acuña Soto, Marleny Marlen y Yhovana
1420761
Carbonelli Zanabria, Veto
1420851
Castañeda Huamán, Magaly Silvia
1420863
Huillca Cervantes, Elias Horisht
1421044
Rodríguez Ccolqque, Orlando
1321120
LIMA-PERU 2017-II
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INDICE INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 3 OBJETIVOS ................................................................................................................................. 3 MARCO TOERICO ...................................................................................................................... 4 EQUIPOS Y MATERIALES........................................................................................................ 9 RESULTADOS E INTERPRETACIÓN .................................................................................... 10 CONCLUSIONES ...................................................................................................................... 12 REFERENCIAS .......................................................................................................................... 13 ANEXOS..................................................................................................................................... 14
INDICE DE FIGURAS Fig. 1 Salto hidráulico ................................................................................................................... 5 Fig. 2. Medida de la pendiente en el laboratorio ........................................................................... 8 Fig. 3. El flujo que pasa a través de la compuerta ......................................................................... 8 Fig. 4. Inicio del resalto hidráulico ............................................................................................... 9 Fig. 5. Canal Hidráulico ................................................................................................................ 9 Fig. 6 Compuerta Hidráulica ......................................................................................................... 9 Fig. 7. Perfil teórico de la curva sobre el vertedero .................................................................... 10 Fig. 8. Dimensiones del Resalto hidráulico ................................................................................. 12
TABLAS Tabla 1. Resultados del perfil por el método directo tramo a tramo ........................................... 12
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INTRODUCCIÓN El fenómeno del salto hidráulico se genera por un ascenso brusco del nivel del agua que ocurre en un canal abierto, esto se da como consecuencia de un retardo que sufre una corriente de agua que fluye a una velocidad elevada y pasa a una zona de velocidad. Este fenómeno es muy común verlo en ríos en donde el flujo presenta este tipo de variaciones gran parte de su trayecto. Conocer el tipo de perfil hidráulico depende de la magnitud de la pendiente, la elevación de la compuerta aguas abajo. En general, depende del tipo de flujo que existe en el canal. Hay dos formas de hacer dicho bosquejo; la primera, es realizarlo manualmente, la segunda, es por un método de cálculo de perfiles, en el presente laboratorio se utilizó el método directo de tramo a tramo. En la ingeniería hidráulica, el diseño de estructuras que generen un resalto hidráulico son utilizadas para disipar la energía, se analiza la longitud y algunas características más de este fenómeno para evitar problemas como la erosión del fondo del canal, etc. Es de importancia determinar la longitud de los perfiles hidráulicos en el momento del diseño de canales hidráulicos para determinar si se requiere o no interrumpir dichos perfiles.
OBJETIVOS GENERALES 1. Estimar la longitud del resalto de acuerdo a fórmulas empíricas y compararlo con la longitud real. 2. Verificar que las condiciones sean supercríticas después de la compuerta y sub-criticas después del resalto. 3. Dibujar el perfil del resalto hidráulico indicando cotas y longitudes.
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MARCO TEORICO 1. Resalto hidráulico El resalto hidráulico es el ascenso brusco del nivel del agua que se presenta en un canal abierto a consecuencia del retardo que sufre una corriente de agua que fluye a elevada velocidad. Este fenómeno presenta un estado de fuerzas en equilibrio, en el que tiene lugar un cambio violento del régimen de flujo, de supercrítico a sub-crítico.
Froude El número de Froude cuya abreviatura es Fr, es un número adimensional, el cual relaciona el efecto de las fuerzas de inercia con las fuerzas de gravedad las cuales actúan sobre un fluido. Este tipo de número recibe este nombre, en honor al ingeniero inglés William Froude.
Tipos de flujo
Flujo crítico
Este tipo de flujo presenta una combinación de fuerzas inerciales y gravitacionales que lo hacen inestable, convirtiéndolo en cierta manera en un estado intermedio y cambiante entre los otros dos tipos de flujo. Debido a esto es bastante inaceptable y poco recomendable, usarlo en el diseño de estructuras hidráulicas. Para éste tipo de flujo el número de Froude es igual a 1 y en esta condición no se generan resaltos hidráulicos (disipadores de energía).
Flujo supercrítico
En este tipo de flujo las fuerzas inerciales presentan una influencia mucho mayor que las fuerzas gravitacionales. Además de esto, el flujo se presenta a velocidades y pendientes altas, y a profundidades más pequeñas. Cuando existe un flujo de este tipo en un canal un aumento en la cantidad de energía provoca una disminución de la profundidad de la lámina de agua. El número de Fraude, en este caso, es mayor a 1. Este estado de flujo propicia la formación de resaltos hidráulicos; estos aumentan su capacidad de disipación de energía en ciertos intervalos, alcanzando la mayor capacidad para flujos con Froude mayores a 9.
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Flujo sub-critico
Para este régimen de flujo las fuerzas inerciales son sobrepasadas en importancia por las gravitacionales; en el flujo se tienen velocidades y pendientes bajas, pero las profundidades de la lámina del agua, por el contrario, son mayores que las que se presentan en el flujo supercrítico. Para este tipo de flujo un aumento en la energía se traduce en un aumento en la profundidad de la lámina de agua. El número de Froude en este estado es menor a 1.
Fig. 1 Salto hidráulico
Fórmulas:
Tirantes conjugados:
Donde:
( ) √ 5
Altura de resalto hidráulico:
Donde:
√
Longitud de resalto hidráulica:
2. Flujo gradualmente variado
El flujo gradualmente variado se refiere a un flujo permanente cuya profundidad varía gradualmente en la dirección del canal, de tal manera que las líneas de corriente son rectas y prácticamente paralelas y por lo mismo, la distribución hidrostática de presiones prevalece en cada sección. Debido a que el flujo gradualmente variado involucra cambios pequeños de profundidad, este flujo está relacionado con longitudes grandes del canal. El flujo variado puede ser clasificado como rápidamente variado o gradualmente variado. En el primer caso (rápidamente variado) el tirante del flujo cambia abruptamente en una distancia corta, por ejemplo el salto hidráulico. En el otro caso, se requiere distancias mayores para que alcancen a desarrollarse los perfiles de flujo gradualmente variado. En un canal con flujo permanente uniforme pueden existir causas que retardan o aceleran la corriente de forma que pasa a condiciones variadas que se manifiestan por un aumento o disminución de la profundidad del flujo, respectivamente.
3) Tipos de perfiles Los tipos de perfiles que se den en un canal dependen de la magnitud de la pendiente de este. A continuación se muestran los diferentes modelos de perfiles:
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Tipos de perfiles
Figura 1. 7
PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO
Se medió la pendiente del canal con la regla.
Se procede a tomar medidas del canal tales como la base de este, y la profundidad marcada por el agua cuando esta se ha regulado para poder tomar el caudal.
Se libera el líquido a través de un canal hidráulico hasta alcanzar un volumen de aguas adecuado para realizar la práctica.
Se eleva la compuerta con la finalidad de producir resalto hidráulico.
Se espera unos minutos mientras el volumen de agua se regula a lo largo del canal.
En el momento en que se produjo el resalto hidráulico se procedió a medir los tirantes conjugados.
Fig. 2. Medida de la pendiente en el laboratorio
Fig. 3. El flujo que pasa a través de la compuerta
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Fig. 4. Inicio del resalto hidráulico
EQUIPOS Y MATERIALES 1) Canal hidráulico Canal que se utiliza básicamente para el transporte de un fluido, generalmente para agua, y que a diferencia de las tuberías, esta es abierta a la atmosfera.
Fig. 5. Canal Hidráulico
2) Compuerta hidráulica Es un dispositivo hidráulico-mecánico, cuya función es de regular el pasaje de un fluido, generalmente agua, en una tubería, canal, etc.
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Fig. 6 Compuerta Hidráulica
RESULTADOS E INTERPRETACIÓN
1)
Comparación de la longitud del resalto hidráulico con una fórmula empírica
Según la imagen mostrada, la longitud del resalto hidráulico
. Usando la
fórmula empírica propuesta en la parte teórica, determinamos la longitud teórica:
Datos:
-
Tirante conjugado antes del resalto hidráulico:
-
Tirante conjugado después del resalto hidráulico:
Resultado:
Fig. 7. Perfil teórico de la curva sobre el vertedero
Error:
Interpretación:
Calculamos la distancia del resalto hidráulico teóricamente y lo comparamos con el obtenido experimentalmente. De acuerdo a la resolución, existe un error de 13.75 % el cual se debe a la medición no precisa por haber un flujo turbulento. 10
2) Verificar que las condiciones sean supercríticas después de la compuerta y subcrítica después del resalto hidráulico: Datos:
-
Caudal en el canal:
-
Tirante real después de la compuerta:
-
Tirante real después del resalto hidráulico:
-
Ancho del canal:
Resultado:
Verificar la condición después de la compuerta:
(Flujo Supercrítico)
Verificar la condición después de resalto hidráulico:
(Flujo Subcrítico)
Interpretación:
De acuerdo a lo determinado, después de la compuerta el flujo es Supercrítico pues el tirante real es menor al tirante crítico. Después del resalto hidráulico el tirante real es mayor al tirante crítico, por lo que el flujo se considera Subcrítico. En consecuencia, el cambio de flujo supercrítico a flujo subcrítico genera un resalto hidráulico.
3) Dibujar el perfil del resalto hidráulico indicando sus dimensiones Datos:
-
Caudal experimental:
-
Ancho del canal rectangular:
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-
Rugosidad de Manning:
Resultado: Y 0.040 0.042 0.044 0.046 0.048 0.049 0.051 0.053 0.055 0.057 0.059 0.060 0.062 0.064 0.065 0.067 0.068 0.070 0.071 0.072 0.073 0.074 0.074 0.075
A 0.012 0.013 0.013 0.014 0.014 0.015 0.015 0.016 0.017 0.017 0.018 0.018 0.019 0.019 0.020 0.020 0.021 0.021 0.021 0.022 0.022 0.022 0.022 0.022
P 0.380 0.384 0.388 0.391 0.395 0.399 0.403 0.406 0.410 0.414 0.417 0.421 0.424 0.427 0.431 0.434 0.437 0.440 0.442 0.444 0.446 0.447 0.448 0.449
Rh 0.032 0.033 0.034 0.035 0.036 0.037 0.038 0.039 0.040 0.041 0.042 0.043 0.044 0.045 0.046 0.046 0.047 0.048 0.048 0.049 0.049 0.049 0.050 0.050
Método Directo Tramo a Tramo V Sf E Δx 1.690 0.029 0.186 1.612 0.025 0.174 0.500 1.542 0.022 0.165 0.500 1.478 0.019 0.157 0.500 1.420 0.017 0.150 0.500 1.366 0.015 0.145 0.500 1.317 0.013 0.140 0.500 1.271 0.012 0.136 0.500 1.229 0.011 0.132 0.501 1.190 0.010 0.129 0.500 1.154 0.009 0.126 0.500 1.121 0.008 0.124 0.500 1.090 0.008 0.123 0.500 1.061 0.007 0.121 0.500 1.034 0.007 0.120 0.500 1.010 0.006 0.119 0.500 0.988 0.006 0.118 0.500 0.969 0.005 0.118 0.501 0.951 0.005 0.117 0.500 0.937 0.005 0.117 0.500 0.925 0.005 0.117 0.500 0.917 0.005 0.117 0.500 0.911 0.005 0.116 0.501 0.907 0.004 0.116 0.545
F1 2.698 2.514 2.352 2.207 2.077 1.960 1.855 1.760 1.673 1.594 1.522 1.457 1.397 1.342 1.292 1.247 1.207 1.171 1.139 1.113 1.093 1.078 1.068 1.061
y2 0.134 0.130 0.125 0.122 0.118 0.115 0.111 0.108 0.106 0.103 0.100 0.098 0.095 0.093 0.091 0.089 0.087 0.086 0.084 0.083 0.082 0.081 0.081 0.081
X 0.000 0.500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.001 4.500 5.000 5.500 6.000 6.500 7.000 7.500 7.999 8.500 9.000 9.500 10.000 10.500 11.001 11.545
Tabla 1. Resultados del perfil por el método directo tramo a tramo
Interpretación: -
Para el gráfico de los perfiles se usó el Método Directo Tramo a Tramo.
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Después de la compuerta el perfil era un M3 y después del resalto hidráulico se dio un perfil M2, estos dos perfiles se usaron para graficar la superficie del agua manualmente.
-
El inicio del resalto hidráulico se dio en la intersección de la ecuación de tirantes conjugados con la curva del perfil determinado con el método indicado.
-
Las alturas antes y después del resalto hidráulico se muestran en la figura.
CONCLUSIONES Fig. 8. Dimensiones del Resalto hidráulico 12
Interpretación: -
Para el gráfico de los perfiles se usó el Método Directo Tramo a Tramo.
-
Después de la compuerta el perfil era un M3 y después del resalto hidráulico se dio un perfil M2, estos dos perfiles se usaron para graficar la superficie del agua manualmente.
-
El inicio del resalto hidráulico se dio en la intersección de la ecuación de tirantes conjugados con la curva del perfil determinado con el método indicado.
-
Las alturas antes y después del resalto hidráulico se muestran en la figura.
CONCLUSIONES -
Se puede concluir que la experiencia fue llevada con éxito, debido a que los resultados como el porcentaje de error entre la longitud experimental y teórico del resalto hidráulico que supera el 10% se debe a que el método teórico no considera flujo turbulento y la manipulación de datos para el cálculo (aproximaciones, por ejemplo).
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Con los datos obtenidos en el laboratorio se verificó que las condiciones después de la compuerta sean supercríticas y suscriticas después del resalto hidráulico.
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El tipo de perfil que se produce después de la compuerta es un M3 y después del resalto hidráulico es un M2. Según a figura 1. Clasificación de perfiles en flujos gradualmente variados.
REFERENCIAS
[1]. Yunus A y John M. (1995). Mecánica de fluidos fundamentos y aplicaciones Editorial Mc Graw Bill-México. [2]. Juan H. (2006). Hidráulica de canales fundamentos. Editorial Universidad EAPITColombia. [3]. Jorge H. (2006). Flujo gradualmente variado. Universidad de Colombia sede Manizales.
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ANEXOS
ILUSTRACION 1. MEDIDA DE TIRANTE CRITICO EN EL FINAL DEL CANAL
ILIUSTARCION 2. LONGITUD DEL RESALTO HIDRAULICO
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ILUSTARCION 3.. TOMA DE DATOS DEL LABRATORIO
