Laboratorio Hidráulica – Orificio Lesmes López, Jorge Enrique; González, Mónica Ximena; Echeverri Parra, Julieth Carolina
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Universidad Militar Nueva Granada, Facultad Ingeniería, Ingeniería Civil Resumen
Para entender el comportamiento del agua y más específicamente el comportamiento de esta a la salida de un orificio en caída libre, con el objetivo de determinar en comportamiento y características de este, se realiza un experimento o practica de laboratorio donde encontramos estas características, el cambio de velocidad y caudal en la trayectoria del flujo al salir del orificio, la relación entre los diámetros del orificio y de la vena liquida o chorro que sale de este; este fenómeno se evidencia en el cambio de presión cuando el fluido sale, se realiza un montaje y determinan las lecturas de presión y de trayectoria del fluido evaluando los coeficientes y estableciendo su clasificación según lo observado. Palabras Clave Orificio, Caudal, Coeficiente de contracción, Coeficiente de velocidad, Coeficiente de descarga, Vena liquida, Lamina de agua.
Introducción
Para determ termin inaar las las característica icas y el compor comportam tamien iento to de un orific orificio, io, se realiz realizaa un ensayo de laboratorio en el cual se obtienen los valores de caudales, coeficiente de contracción, velocidad y de descarga. Teniendo en cuenta, el campo de aplicación de los orificio orificios; s; se definen definen como como perforacio perforaciones nes usadas con el fin de determinar el caudal que sale sale de un depósi depósito to de líquido líquido o que pasa pasa a trav través és de una una tube tuberría, ía, estos stos pued pueden en ser ser clasificados según: • • • •
Al comparar el área del orificio con el diámetro de la vena liquida se establecerá el coeficiente de contracción. En orificios también se habla de coeficiente de velocidad el cual puede hallarse con la relación entre el caudal y el área transversal de la vena liquida, liquida, además del coeficiente coeficiente de descarga descarga el cual se define como la relación entre el caudal real y el caudal teórico, y se hace constante cuando se habla de flujo turbulento.
Ancho de pared (delgada o gruesa) Forma (circular, rectangular o cuadrada) Dimensiones (pequeño o grande) grande) Funcionamiento (orificio de caída libre, orificio de descarga ahogada)
Elementos del Trabajo y metodología
La corriente liquida que sale del depósito se conoce como vena liquida o chorro, y es esta quien define el ancho de la pared ya que si este tiene tiene un contac contacto to en línea, línea, se consid considera erara ra la pared como pared delgada y si por el contrario el contacto es en superficie la pared será gruesa. (Fig (Figur uraa 1: orif orific icio io en pare pared d grue gruesa sa y pared pared delgada)
Equipos: Durante el proceso de desarrollo de la práctica de labo laborat ratori orio o se debe debe tener tener en en cuent cuentaa los los procesos metodológicos y los equipos que harán parte del procedimiento experimental en el labo labora rato tori rio o de hidrá idrául ulic ica, a, con con el fin fin de genera generarr un buen buen manejo manejo en la maquin maquinaria aria y desenv desenvolv olvers ersee eficaz eficazmen mente te y obten obtener er buenos buenos resu resulta ltado dos, s, a cont continu inuac ació ión n se desc descri ribe ben n el montaje principal con el cual se desarrolla la práctica de laboratorio (Figura 2: Orificio de descarga libre).
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valores de X y Y en tres puntos diferentes de la trayectoria del fluido al salir del orificio en caída libre: Se realiza la lectura de presiones y valores de X y Y para cuatro caudales diferentes, los cuales son aumentados progresivamente y para un ultimo caudal maximo. Contando con una válvula reguladora de caudal, una válvula de purga múltiple la cual permite sacar el aire acumulado en la sección longitudinal de tubería y los piezómetros antes de ser usados, una válvula conducida al manómetro de mercurio con la cual se puede tomar las lecturas de presión, y finalmente el sistema de tubería y los piezómetros, ubicados de la siguiente manera: (Figura 3: piezómetros)
Detalles
de
ubicación
Resultados
de
A continuacion se muestran los datos obtenidos en la practica de laboratorio, los cuales se muestran en la tabla N°1 : Tabla N°1
Metodología: La metodología consiste en abrir gradualmente la válvula de compuerta, haciendo circular un caudal inicial tomando los valores de las presiones en cada piezómetro, seleccionando la columna de agua para tomar los valores de las presiones en los piezómetros del 1 al 8, ya que se espera que estas presiones no sean relativamente altas, y seleccionado la columna de líquido de mercurio para los dos últimos piezómetros 9 y 10 en la lectura de presiones, las columnas de los líquidos, ya sea agua o mercurio se seleccionan abriendo la válvula que comunica al fluido con el que se quiere medir.
Con las coordenadas obtenidas se determinó el valor de velocidad REAL mostrados en la tabla N°2 (descritas ampliamente a continuación); la velocidad se determina con la ecuación (3) de la guía de orificios:
Las lecturas se toman abriendo la válvula de bola que comunica al manómetro de mercurio, y la válvula del punto a tomar lectura, cerrando esta al abrir la del punto siguiente sin cerrar la válvula del manómetro. Después de realizar la lectura de presiones se tomaran de acuerdo con la lámina de acrílico ubicada paralela a la trayectoria del chorro, los
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En el proceso de desarrollo se obtuvo los siguientes resultados observados en la tabla N° 4: Tabla N°4
A partir de los resultados de la velocidad real calculada anteriormente se determina el caudal real en cada coordenada tomada de la trayectoria del fluido con la ecuación(4), teniendo en cuenta que los datos de las coordenadas obtenidas en la práctica de laboratorio se deben corregir con las coordenadas reales del chorro así :
EC (4)
Los datos obtenidos para el caudal real se muestran en la tabla N°3: A partir de los datos de las lecturas de presión determinados en la tabla 1, se calcula la línea piezometricas, estos datos se muestran en la siguiente tabla N° 5.
Tabla N°3
TablaN°5
A partir de los datos calculados se establece gráficamente la relación de la línea piezometrica como se muestra a continuación en la GRAFICA 1: Grafica (1)
Se determinan los valores del caudal y la velocidad ideal con las siguientes ecuaciones:
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Teniendo en cuanta la información proporcionada por los diseños en AutoCAD del montaje y los cálculos realizados anteriormente se pueden establecer los cálculos de los coeficientes de contracción, velocidad y descarga de la siguiente manera:
Análisis de resultados
Tras realizar la práctica y cálculos correspondientes se obtuvieron los valores de los coeficientes de contracción, velocidad y descarga, así como velocidad, y caudal según las coordenadas de los puntos tomados durante el ensayo. A pesar de que hubieron algunas falencias a la hora de tomar los datos se obtuvieron resultados idóneos para realizar la gráfica de línea piezometrica donde se puede visualizar que dependiendo del caudal las presiones permanecen constantes en las diferentes longitudes horizontales hasta obtener un aumento de presión en la salida del orificio.
En la cual se proporcionan los siguientes datos: coef.contracc ion Cc
0,85694 694
Nota: El coeficiente de contraccion se presenta de esta manera devido a que se produgeron errores de toma de datos durante la practica de laboratorio y se tomo como dato principal un diametro de contraccion de 3,25cm .
Conclusiones
Según la observación de las características físicas del montaje de orificio se puede inferir que el sistema está compuesto por una sección circular a lo largo del sistema de tubería, con caída libre donde el chorro fluye libre en la atmosfera con una trayectoria parabólica lo que hace que sea un orificio de características ideales para determinar puntualmente los factores de incidencia tales como presión, caudal, velocidad etc.
Referencias
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[1]Guía de laboratorio - Orificios - Universidad Militar Nueva Granada [2]www.escuelas.fi.uba.ar/iis/Orificios%20y %20vertederos.pdf [3]www.fic.umich.mx/~hidraulica/man_pdf/3o/3_p5 .pdf [4]www.quirumed.com/es/Catalogo/articulo/24037
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