FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE LABORATORIO E HIDROLOGÍA
CURSO
: MECÁNICA DE FLUIDOS II
SECCIÓN
: J
DOCENTE
: Ing. Julio Kuroiwa.
ALUMNOS
: CASHPA CAPCHA, Ruddy Andreé
DÍAZ MUNGUÍA, Ítalo Arturomanuel CALLE, Fran
Lima, 03 de noviembre de 2014 1
Í NDICE 1. RESUMEN……………………………………......................................……….………. ...............
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2. INTRODUCCIÓN……….……….……….……….……….……….……….……….……….……….……….…… 4 3. MATERIALES Y EQUIPOS…………………………………………………………………………………………. 5 4. PROCEDIMIENTO……………………………………………………………………………………………………… 7 5. CÁLCULOS Y DISCUSIONES………….……….……….……….……….……….……….……….……….…… 9 6. CONCLUSIONES……….……….……….……….……….……….……….……….……….……….……….…… 17 7. BIBLIOGRAFÍA……….……….……….……….……….……….……….……….……….……….……….……… 18
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RESUMEN En el presente laboratorio se explica de forma experimental lo que ocurre cuando se varían las pendientes del canal, lo cual implica una variación de la energía especifica esto para una descarga constante, esta variación será representada gráficamente donde se puede observar claramente de la existencia de una mínima energía específica para un determinado tirante (tirante crítico). Esto significa que para un tirante dado el flujo de agua se desplaza con una mínima energía, lo que interesa desde el punto de vista de optimizar la eficiencia del canal al momento de diseñar. La segunda parte de la experiencia en laboratorio comprende la aplicación de la conservación de la momenta para estudiar el salto hidráulico en un canal rectangular de carga constante, parecido al de la energía específica. Se relacionan tirantes versus momenta y se aprecia una gráfica con una momenta mínima para un tirante dado, calculado en detalle después. La conservación de la momenta se usa para determinar en tirante luego del salto hidráulico como se observará más adelante, que también fue medido en el laboratorio, con lo cual se podrá comprobar estos dos datos (teórico y real). Para culminar se realizan determinadas conclusiones en base a lo que se obtenga con los daros tomados de laboratorio y se dan algunas recomendaciones que implican la toma de datos de laboratorio y los cálculos respectivos.
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INTRODUCCIÓN Por definición, un canal abierto es un conducto para flujos en la cual tiene superficie libre, la superficie libre es esencialmente un interface entre dos fluidos de diferente densidad, separados por efectos de gravedad y distribución de presiones. Los flujos son casi siempre son turbulentos y no son afectados por tensión superficial en el caso del agua. Un ejemplo particular de la aplicación de la ecuación de energía se presenta cuando la energía está referida al fondo de la canalización, toma el nombre de energía específica en canales. Para un caudal constante, en cada sección de una canalización rectangular, obtenemos un tirante y un valor de energía específica, moviéndose el agua de mayor a menor energía con un gradiente, en este caso, coincidente con la pendiente de energía. De forma analítica se puede llegar a predecir el comportamiento del agua en el canal rectangular, sin embargo la observación del fenómeno es ahora de mayor importancia y toda conclusión estará ligada al experimento. El salto hidráulico es un fenómeno producido en el flujo de agua a través de un canal cuando el agua discurriendo en régimen supercrítico pasa al régimen subcrítico. Tiene numerosas aplicaciones, entre las cuales se citan:
La disipación de energía en aliviaderos. Como dispositivo mezclador, en las plantas de tratamiento de agua.
Como cambiar de régimen se tiene antes del resalto un tirante pequeño y después del resalto un tirante mayor, se establece una relación de fuerzas debido a la presión y al flujo, esto se denomina fuerza especifica en la sección, al inicio y al final del resalto hidráulico.
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MATERIALES Y EQUIPOS
Canal Hidráulico, por donde fluyen aguas arriba hacia aguas abajo y posee pendiente regulable.
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Carrito porta limnímetro de puntas, compuesto por tres rieles para desplazarse sobre una viga tubular que constituye el conducto de alimentación.
Vertedero triangular para poder determinar el caudal del sistema.
Limnímetro, para determinar la altura de agua que discurre por el vertedero usado de acuerdo a la tabla correspondiente de Q vs h. 6
PROCEDIMIENTO
Fijar la pendiente del canal.
Verificar la calibración del limnímetro.
Abrir la llave de compuerta para circular agua en el canal.
Si considera necesario ver condiciones de entrada del flujo.
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Medir el caudal de agua que está circulando después de haber transcurrido cierto tiempo para la estabilización del flujo.
Determinar la lectura del fondo de la canalización y otra lectura en la superficie de agua, con ayuda del limnímetro de punta. Por diferencia de lecturas se obtiene el tirante de agua en la sección.
Repetir el paso anterior para distintas pendientes, con el cual se obtendrán distintos valores de tirante, por encima de una valor crítico denominado tirante crítico, cuando el régimen es subcrítico; y por debajo, si el régimen es supercrítico.
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RESULTADOS Y DISCUSIÓN Cálculo del caudal
Para un vertedero triangular, el caudal está dado por la relación entre dicho Q y la altura h medida mediante el limnímetro del vertedero. Dicha relación se presenta en la siguiente tabla:
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Para h= 280.5 mm = 28.05 cm
Interpolando de la tabla: Q = 28.835 l/s
Cálculo del tirante crítico y energía especifica mínima
Se muestra la siguiente tabla donde se ha calculado el tirante de agua para diferentes pendientes (S).
S% 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 2.0
COTAS O ELEVACIÓN SUPERFICIE (cm) FONDO(cm) 23.32 9.72 19.44 9.72 18.58 9.72 18.05 9.72 17.14 9.72 16.79 9.72 16.65 9.72 16.48 9.72
TIRANTE 13.6 9.72 8.86 8.33 7.42 7.07 6.93 6.76
Usando las ecuaciones: = ;donde b = 0.25 m = +
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TIRANTE Y (cm) 13.6 9.72 8.86 8.33 7.42 7.07 6.93 6.76
ÁREA (m2) 0.034 0.0243 0.02215 0.020825 0.01855 0.017675 0.017325 0.0169
ENERGÍA ESPECÍFICA 13.6012464 9.72174395 8.86191323 8.33203496 7.42228453 7.07239763 6.93244606 6.76250758
Cálculo de la Momenta mínima.
Usando las ecuaciones para el caudal determinado:
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TIRANTE y(cm) 12,3 11,05 9,19 8,4 7,91 7,5
Área(m2)
Momenta(cm3)
0,03075 0,027625 0,022975 0,021 0,019775 0,01875
0,552 0,556 0,591 0,619 0,642 0,665
CURVA DE LA MOMENTA
c (
I
16 14 12 10 8 6 4 2 0 0.000
0.100
0.200
0.300
0.400
0.500
0.600
0.700
MOMENTA(cm)
12
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CONCLUSIONES CONCLUSIONES
Para un caudal de 33.07 L/s y para el canal rectangular tenemos un tirante crítico=12.13 cm y la energía especifica mínima es 18.195 cm. En el salto hidráulico la relación de los tirantes se puede calcular de dos maneras deferentes, tales como directamente de los datos de laboratorio (una simple división) o como una función del número de Froude con lo cual se puede comparar estos dos resultados y los cuales deben ser iguales pero en nuestro caso son muy cercanos y el error relativo llegó desde 2 al 33%. La momenta mínima es de 0.552 cm3. Cuando se presente mayor pendiente el error relativo de la relación de tirantes es menor.
RECOMENDACIONES:
Es recomendable tomar las medidas de los tirantes después del salto en la primera sección transversal donde se produzca un escaso burbujeo. Se recomienda tomar las medidas de los tirantes a un nivel medio puesto que la superficie tiende a oscilar. Se recomienda que a la entrada de canal se coloque un disipador de energía con el fin de obtener u n flujo uniforme. Se debe medir con mucha rapidez y cuidado los tirantes (subcrítico, supercrítico) a fin de evitar errores, dado que el tirante en el flujo subcrítico aumenta al pasar el tiempo, debido a que el agua se llena en el canal.
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BIBLIOGRAFÍA
Guía de Laboratorios de Mecánica de Fluidos 2: Universidad Nacional de Ingeniería Civil.
ROCHA, Arturo. Hidráulica de Tuberías. 1ª. Edición. Universidad Nacional de Ingeniería, Facultad de Ingeniería Civil. Lima, 2008. ISBN 978-603-45110-0-2
MOTT, Robert. Mecánica de fluidos aplicada. 4ª. Ed. México: Prentice-Hall, 1996. 580 p. ISBN 968-880-542-4.
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BIBLIOGRAFÍA
Guía de Laboratorios de Mecánica de Fluidos 2: Universidad Nacional de Ingeniería Civil.
ROCHA, Arturo. Hidráulica de Tuberías. 1ª. Edición. Universidad Nacional de Ingeniería, Facultad de Ingeniería Civil. Lima, 2008. ISBN 978-60345110-0-2
MOTT, Robert. Mecánica de fluidos aplicada. 4ª. Ed. México: Prentice-Hall, 1996. 580 p. ISBN 968-880-542-4.
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