LABORATORIO HIDRAHULICA II
MARLON MANRIQUE MEDINA 7302975 DIANA JAIDEL BERMEO MONTERO 7303036 OSCAR NIRAY MEDINA MELO 7301803 ANDREA VILLALBA 7303022
UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADA FAEDIS PROGRAMA INGENIERIA CIVIL MARZO 2018 1
MARLON MANRIQUE MEDINA DIANA JAIDEL BERMEO MONTERO OSCAR NIRAY MEDINA MELO ANDREA VILLALBA
CODIGO. 7302975 CODIGO. 7303036 CODIGO. 7301803 CODIGO. 7303022
LABORATORIO HIDRAHULICA II
MARGARITA HERNANDEZ A. INGENIERO CIVIL
UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADA FAEDIS PROGRAMA INGENIERIA CIVIL MARZO 2018 2
INDICE
INTRODUCCION OBJETIVO GENERAL OBJETIVOS ESPECIFICOS MARCO TEORICO LABORATORIO Nº1 VERTEDERO LABORATORIO Nº2 COMPUERTAS LABORATORIO Nº3 LABORATORIO Nº4 LABORATORIO Nº5 FLUJO GRADUALMENTE VARIADO CONCLUSIONES BIBLIOGRAFIA
3
INTRODUCCION
La real aproximación al comportamiento mecánico del agua, permite confrontar las leyes adoptadas por la hidráulica en este caso “Canales Abiertos” con el fin
de reconocer sus límites y aaplicación plicación ya sea para la prevención prevención o el buen uso uso de la misma. Los conocimientos adquiridos en las diferentes unidades de la materia Hidráulica II, deben ser experimentados en modelos a escala o estructuras diseñadas para simular un canal abierto que permita cumplir con una aproximación casi real a la esperada en las diferentes superficies por las que se desplaza el fluido en estudio. El trabajo experimental permite permite un acercamiento acercamiento al fenómeno esperado, dando la posibilidad de asumir una nueva forma de abordar su estudio permitiendo otras formas de interpretación por medio de cambios leves o bruscos, que le permitan al estudiante identificar el porqué de cada fenómeno así como también la importancia de su conocimiento, aplicación y control dentro de las obras civiles. En efecto, no es con violencia como se pueden hurtar sus secretos, sino con amor; con esa comprensión que se deriva de una larga convivencia con ella, tan larga que ni la vida de un individuo, ni la de muchas generaciones, es suficiente. Hay que atesorar todo lo que la humanidad ha venido aprendiendo, a veces a costa suya, dejándose sorprender; otras, al intentar precaverse, realizando observaciones, ensayos, cálculos. Esto es lo que tratan de hacer los libros de texto, en lo que se refiere a esos aspectos de la hidráulica que se considera puedan requerirse en su práctica actual. Sin embargo, dichos libros, con todos sus méritos, adolecen por lo general de un defecto: crear l a ilusión de una ciencia demasiado madura y segura de sí misma; que, algo alejada -a veces- de los fenómenos que pretende dominar, olvida las limitaciones de sus principios y adquisiciones, y hace que parezcan duraderos muchos de los que algún día, tal vez muy cercano, podrían ser puestos en duda o refutados." 1
4
OBJETIVO GENERAL Familiarizar al futuro Ingeniero Civil con los diferentes factores y fenómenos de los canales abiertos estudiados en las diferentes unidades de la materia Hidráulica II, poniendo en práctica los diferentes ensayos tenidos en cuenta para el presente laboratorio, que permitan reconocer el comportamiento del agua por medio de la observación directa, la medición de las variables hidráulicas, el análisis mediante técnicas estadísticas, y la evaluación mediante aproximaciones teóricas analíticas o técnicas numéricas. OBJETIVOS ESPECIFICOS Determinar por medio de las practicas realizadas en el laboratorio de Hidráulica II Canales Abiertos, un Flujo Uniforme en el fluido que le permita conocer la pendiente del canal(So), la profundidad normal (Yn), los coeficientes de Manning(n) y Chezy(C) y el número de Froude (NF) con el fin de elaborar los informes respectivos. Determinar por medio de las practicas realizadas en el laboratorio de Hidráulica II Canales Abiertos, un Flujo Gradualmente Variado por medio del cual, el fluido le permita conocer las condiciones ideales de un flujo gradualmente variado, la pendiente del canal (So), la profundidad normal (Yn), el coeficientes de Manning(n) y los tipos de perfiles, así como su longitud del flujo gradualmente variado. Estudiar por medio de las prácticas realizadas en el laboratorio de Hidráulica II Canales Abiertos, las características y comportamiento de una chimenea de equilibrio y comprobar la validez de los supuestos teóricos. Analizar por medio de las practicas realizadas en el laboratorio de Hidráulica II Canales Abiertos, la distribución de presiones y velocidades a lo largo del fondo del canal y sobre la pared de la Compuerta, analizar de igual forma los coeficientes de descarga (Cd) y el coeficiente de contracción (Cc) de una compuerta por medio de las características hidráulicas antes y después de la misma. Analizar experimentalmente por medio de las prácticas realizadas en el laboratorio de Hidráulica II Canales Abiertos, en un canal rectangular el Resalto 5
Hidráulico para determinar gráficamente la disipación de energía, hallando la longitud del resalto y empleando las ecuaciones teóricas para tal caso. Analizar y calibrar por medio de las prácticas realizadas en el laboratorio de Hidráulica II Canales Abiertos, los vertederos empleados en un canal rectangular que le permita comparar los valores adquiridos con los valores de los textos. MARCO TEORICO
En las siguientes prácticas de laboratorio de la materia Hidráulica II se lograron realizar ensayos en condiciones ideales para representar los diferentes factores que se deben tener en cuenta para las obras civiles que se encuentran relacionadas y tienen razón en canales abiertos especialmente aquellos que transportan agua y que por sus diferentes condiciones cuentan con diferencias en sus pendientes, caudales, dimensiones del canal y por otro conocer y poner en práctica los diferentes elementos mecánicos que se requieren dentro de los mismos canales para controlar la entrada, salida de fluido que sea requerido para
6
esa obra, así como su caudal, presión y energía disipada por el trabajo desarrollado LABORATORIO Nº1 VERTEDEROS
El flujo en un canal abierto puede ser medido mediante un vertedero, que es una obstrucción hecha en el canal para que el líquido retroceda un poco atrás de ella y fluya sobre o a través de ella. Si se mide la altura de la superficie liquida corriente arriba es posible determinar el volumen de flujo. Los vertederos construidos con una hoja de metal u otro material, que permiten que el chorro o manto salga libremente, reciben el nombre de vertederos de cresta aguda, otros vertederos como los de cresta gruesa, soportan el flujo en una dirección longitudinal.
Elementos requeridos para el ensayo
Una Tubería de alimentación Canal de sección rectangular Un piezómetro
Procedimiento
Se realiza el procedimiento para purgar todos los piezómetros comprometidos teniendo en cuenta que debe existir una lámina de agua que los cubra por completo para poder iniciar el procedimiento. Se tomaron las alturas iniciales de los piezómetros en el vertedero rectangular calibrado y en el vertedero triangular a calibrar. Se suministró el primer caudal a través de la válvula. Posterior a que el fluido se estabilice y muestre una altura homogénea a lo largo del canal, se toman las alturas piezométrica de los vertederos tanto rectangular como el triangular. Se suministra un nuevo caudal por medio de la válvula y al dejar que se estabilicen sus niveles se toman nuevamente la lecturas sobre el vertedero triangular la cual aumenta su línea de agua. 7
Resultados obtenidos Q
Hv RECTANGULAR (cm)
H RECTANGULAR (cm)
1
57
30,6
2
68,7
33
3
59,5
34
4
60
34,4
5
61
35,5
6
61,3
36
7
61,5
36,4
8
62
36,7
Ho (cm) =
54,8
24,7
L (cm) =
22
Teta =
60
Vertedero triangular
8
Vertedero rectangular Cálculos desarrollados.
Tabla No. 1. Valores Calculados de Caudal para Diferentes Cargas Altura H, cm
Q, l/s
Altura H, cm
Q, l/s
3
0.14
17
16.7
4
0.42
18
19.2
5
0.80
19
22.0
6
1.24
20
25.0
7
1.81
21
28.3
8
2.52
22
31.8
9
3.39
23
35.5
10
4.44
24
39.5
11
5.62
25
43.7
12
6.98
30
69.0
13
8.54
35
101.5
14
10.25
40
141.7
9
15
12.19
45
190.1
16
14.33
50
247.5
Trazar La Gráfica Q =F(H) Con Los Valores Observados Q
Hv RECTANGULAR (cm)
H RECTANGULAR (cm)
1
57
30,6
2
68,7
33
3
59,5
34
4
60
34,4
5
61
35,5
6
61,3
36
7
61,5
36,4
8
62
36,7
Ho (cm) =
54,8
24,7
L (cm) =
22
Teta =
60
TRIANGULAR (cm)
H TRIANGULAR (cm)
Q RECTANGULAR (lps)
Q TRIANGULAR (lps)
ERROR CAUDALES (%)
Cd VERTEDERO TRIANGULAR
27,3
2,6
68,52
0,17
99,7%
0,673
28,4
3,7
76,74
0,42
99,5%
0,673
30,6
5,9
80,25
1,35
98,3%
0,673
31,8
7,1
81,67
2,14
97,4%
0,673
33
8,3
85,62
3,16
96,3%
0,673
33,9
9,2
87,44
4,09
95,3%
0,673
10
35,2
10,5
88,90
5,69
93,6%
0,673
36,1
11,4
90,00
6,99
92,2%
0,673
24,7
Caudal vs H 100.00 ) s p l ( l a d u a C
y = 0.4048x1.5
80.00 60.00 40.00 20.00 y = 0.0159x2.5
0.00 0
5
10
15
20
25
30
35
40
H (cm) Q rectangular
Q triangular
Power (Q rectangular)
Power (Q triangular)
Utilizando el método de los mínimos cuadrados n = a1 a0 = y + a1x Tabla Método de los Mínimos cuadrados Q
H Rectangular
H Triangular
0.4331 57
30,6
0.7327
Ln Q
LnH R
LnHT
0.6453
0.1823
1.3987
0.5008
1.6677
68,7
33
0.3110
1.1216
59,5
34
0.1148
0.9062
1.8165
1.4689
60
34,4
0.3845
1.1632
1.9601
1.7229
61
35,5
0.5440
1.3151
2.0794
11
2.0155
61,3
36
0.7008
1.4644
2.1633
2.5940
61,5
36,4
0.9532
1.7047
2.3026
3.1413
62
36,7
1.1446
1.8871
2.4069
Tabla Valores de C y n Rectangular
Triangular
a0
-0.10264
0.22013
81
3.44630
4.86340
Y(-)
1.14047
1.97441
X(-)
0.36071
0.36071
C
0.90245
1.24624
n
3.45
4.86
Q=0.90245*H Q=1.24624*H Para vertedero Rectangular (1) Para vertedero Triangular (2) Calcular el Valor del Coeficiente de Descarga de la Ecuación
Tabla No Valor Cd Q
H Triangular
Cd
0.5245
2,6
0.671
0.7327
3,7
0.479
1.1216
5,9
0.505
1.4689
7,1
0.462
1.7229
8,3
0.402
12
2.0155
9,2
0.381
2.5940
10,5
0.347
3.1413
11,4
0.323
θ
60°
0.44625
CONCLUSIONES
El flujo en el vertedero rectangular sigue una línea parabólica, y a medida que el caudal aumenta la línea se abre. Cuando el caudal aumenta después de la caída del vertedero rectangular, se presenta mayor turbulencia y mayor contra f lujo en las partículas de agua. La medición del caudal nunca puede ser exacta debido a que el canal presenta irregularidades en su forma en cuanto al ancho que no es siempre igual y por lo tanto es irregular la relación entre nivel y caudal. Los vertederos sirven para obtener una medición satisfactoria del caudal de pequeños cursos de agua y conductos libres. Aguas arriba del vertedero el agua se eleva, tocando la cresta del vertedero y se eleva nuevamente.
13
LABORATORIO Nº2 COMPUERTAS
Las compuertas son puertas o barreras móviles que se coloca en los conductos de agua para obtener o controlar su circulación, se clasifican en compuertas ordinarias (soportan pesos pequeños), giratoria (gira sobre el eje vertical aprovechando el exceso de presión en una de sus caras para asegurar el cierre), cilíndricas o de válvula (pueden ser abiertas si alcanzan el nivel superior del agua o cerradas si van montadas sobre una campana de ajuste hermético) y compuerta de sector (empleadas en exclusas de gran salto). Elementos requeridos para el ensayo
Canal de pendiente Variable de 10 cm de espesor. Compuerta colocada después del tanque de aquietamiento sobre el canal. Tablero de piezómetros Vertedero calibrado. Medidor de aguja desplazable Sistema de abastecimiento de agua
Procedimiento
Se verifico que la pendiente del canal fuera horizontal . Se tomó la lectura inicial del vertedero Se abrió la válvula de suministro del caudal y se dejó pasar sobre el canal una lámina de agua pequeña que sea suficiente para que los piezómetros del P10 hasta el P23 queden cubiertos de agua Realizaron los procedimientos para purgar los piezómetros que se encontraban expuestos al aire y contenían cantidades del mismo. Se tomaron las lecturas de altura de la lámina de agua utilizando el medidor de agua desplazable. Se tomaron las lecturas iniciales en el panel de control de los piezómetros (P6,… P10) como nivel de referencia cero.
14
Se determinó la abertura de la compuerta, maniobrando el volante de la misma hasta dejarla en un punto para que quedara constante el resto de la práctica. Se suministró un primer caudal permitiendo el paso de agua constante sobre el canal para el registro de un primer valor. Se procedió a purgar los piezómetros que no se habían cubierto por agua. Se tomó nuevamente la altura de lámina de agua desde el piezómetro 10 al 11 con el medidor de aguja desplazable. Al dejar estabilizar el flujo de agua con el resalto establecido se procedió a tomar las lecturas en el vertedero para determinar la labor realizada. Se tomó el medidor de aguja desplazada con el fin de medir la altura de la lámina de agua y las medidas de los diferentes piezómetros. Se suministró un segundo caudal de agua permitiendo que la compuerta permaneciera con la misma posición inicial al anterior caudal y al dejar estabilizar los niveles se tomaron nuevamente las lecturas realizando los últimos pasos ya mencionados. Se modificó la posición de la compuerta y posterior a tomar la lectura de la lámina de agua de los piezómetros 10 y 11 se procedieron a tomar los valores con un caudal inicial y posteriormente con un segundo caudal.
Resultados obtenidos COMPUERTAS
Columna1
Columna2
Columna3
Columna4
Columna5
Columna6
Columna7
PIEZ METRO No.
LEC. INICIAL
a1 (cm) =
2
a2 (cm) =
3
a3 (cm) =
3,5
Q1
Q2
Q1
Q2
Q1
Q2
1
N/A
31,5
31,8
31,4
42,9
24,7
28,1
2
N/A
34,3
36
33,7
44,1
25,9
29,4
3
N/A
31,8
32,5
33,6
45,1
25,9
29,8
4
N/A
35,8
32,9
33,7
44,7
26,7
29,9
5
N/A
35,8
33
33,8
44,8
28,2
30
6
1,03
32,2
32,8
33,9
44,7
26,1
29,8
7
1,03
29
29,8
28,4
38,3
21,9
25
15
8
1,03
8,8
12,1
16
20,4
12,9
14,6
9
1,03
2
1,6
3,2
4
4
3,9
10
1,03
1,8
1,7
2,7
2,3
2,9
2,5
ho
10,8
10,8
10,8
10,8
10,8
10,8
10,8
Y
1,8
33,2
1,8
34,1
2,3
27
2,3
Hv
25
25
25,5
27,9
28,3
27,8
28,1
Lectura inicial del vertedero Ho =
10,8
Carga del vertedero H = Hv - Ho =
14,2
Longitud de la compuerta (cm) =
20,8
Compuerta de pendiente variable
16
Medidor de agua desplazable Tabla No. 1. Datos para la gráfica de Cc en función cíe a/hc Cc
H0
a/H0
a
Q1
Q2
Q1
Q2
Q1
Q2
2
0,866
0,933
31,17
31,77
0,064
0,063
2,5
0,888
0,800
32,87
43,67
0,076
0,057
3
0,883
0,848
25,07
28,77
0,120
0,104
17
Cc
vs
a/h0
0.940 0.920 0.900 0.880 c 0.860 C
0.840 0.820 0.800 0.780 0.000
0.020
0.040
0.060
0.080
0.100
0.120
0.140
a/h0 Caudal Q1
Caudal Q2
18
Tabla No. 2. Presiones bajo compuerta a1 =
2
a2
2,5
a3 =
3
Q1
Q2
Q1
Q2
Q1
Q2
H (cm) =
14,2
14,7
17,1
17,5
17
17,3
CAUDAL (lps) =
8,62
9,34
13,32
14,06
13,14
13,69
Cd =
0,82 4
0,88 5
0,828
0,761
0,797
0,777
Cc =
0,86 6
0,93 3
0,888
0,800
0,883
0,848
0,76666 7
7,71428 6
0,65714 3
4%
89%
29%
Cc = Y/a =
16,6
0,9
11,36666 7
ERROR Cc =
95%
4%
92%
CONCLUSIONES:
Cuando se realiza el cálculo y diseño de compuertas los dos aspectos más presentes son la relación altura - descarga y la distribución de presiones sobre las superficies de la compuerta para varias aperturas de la compuerta de la forma en que se llevó a cabo en el laboratorio. Se determinó experimentalmente los coeficientes de descarga (Cd) y contracción (Ce), para la condición de una apertura constante, al tiempo que se determinó la distribución de presiones, tanto sobre la compuerta como en el fondo del canal de prueba. Por medio del análisis se halló la distribución de presiones de velocidades a lo largo del fondo del canal y sobre la pared de la compuerta. Finalmente se puede decir que se aprendió a determinar los coeficientes de descarga y contracción para una compuerta cuando se mantuvo una abertura constante. Este laboratorio fue funcional ya que por medio de su desarrollo y evolución se aprendió que la forma de los bordes de una compuerta y abertura de la misma no solo afecta la distribución de velocidades y presión y pérdida de energía en el flujo a través de la compuerta. 19
LABORATORIO Nº3 FLUJO UNIFORME
El Flujo Uniforme y Permanente comprende dos condiciones de flujo. El Flujo permanente como se define para flujo en tuberías, se refiere a la condición según la cual las características del flujo en un punto no varían con el tiempo y el flujo uniforme se refiere a la condición según la cual la profundidad, pendiente, velocidad y sección recta permanecen constantes en una longitud dada del canal. Elementos requeridos para el ensayo Canal de pendiente Variable Medidor de aguja desplazable Tablero de piezómetros Compuerta colocada después del tanque de aquietamiento sobre el canal. Vertedero Sistema de abastecimiento de agua Procedimiento Se verifico que la pendiente del canal fuera horizontal. Se tomo la lectura inicial del vertedero Se permitió que la compuerta y la persiana permitieran el libre desplazamiento del flujo Se abrió la válvula de suministro del caudal y se dejo pasar sobre el canal una lamina de agua pequeña que sea suficiente para que los piezómetros del P10 hasta el P23 queden cubiertos de agua Se realizaron los procedimientos para purgar los piezómetros que se encontraban expuestos al aire y contenían cantidades del mismo. Se tomaron las lecturas iniciales en el panel de control de los piezómetros como nivel de referencia cero Se determinó la abertura de la compuerta, maniobrando el volante dela misma hasta dejarla en un punto para que quedara constante el resto de la práctica, 20
Se determinó el ancho del canal Posterior a la lectura de los piezómetros se cambió la pendiente del canal verificando la plomada con el fin de confirmar el ejercicio. Se suministró un caudal permitiendo el paso de agua constante sobre el canal donde posterior a su regulación sobre todos los tramos se permitieron las lecturas piezométrica y de lámina de agua para el registro del presente informe. Se tomó el medidor de aguja desplazada con el fin de medir la altura de la lámina de agua la cual se comparó con una lectura métrica que se encontraba en la pared del canal pero se tenía mayor precisión con el medidor de aguja. Se suministró un nuevo caudal de agua y al dejar reposar los niveles se tomaron nuevamente las lecturas realizando los últimos pasos ya mencionados.
21
Resultados Obtenidos
Ecuación de vertedero Triangular
Q= 0.0172. H^2.342
Pendiente del canal
So = 0,0142
Ancho del canal
B= 20,3 cm
Lectura inicial del vertedero
Ho= 10,8 cm
Abertura de la compuerta
a= 2,0 cm
22
Abscisas (cm)
Dx 10-13 Dx 13-16 Dx 16-19 Dx 19-23 Dx Total
93 89 100 120 402
CANAL DE PENDIENTE VARIABLE
23
Cálculos desarrollados
Determinar con los datos registrados, la pendiente del canal y la profundidad normal observada. Se calculo la pendiente para Q1: So=Dv/Dh Dv= Y10-Y23= (2.7-3,0) Dh= 6,0 mts que es la longitud del canal So= 1/600= 0,0016 Igualmente para Q2= So= 0,000133; Q3= So= 0,0013
So (cm)
-0,01416
0,00133
-0,013
Se calculó la profundidad Yn para Q1: ∑Y/14*100 Yn=0,0288 Igualmente para Q2= Yn= 0,0291 ; Q3= Yn= 0,0363
Yn (m)
Q1
Q2
Q3
0,0288
0,0291
0,0363
Calcular el coeficiente de rugosidad de Manning “n” utilizando la ecuación:
b*Yn R Q
0.0172H ^2.343 b 2*Yn
24
Variables
Q1
Q2
Q3
0,02917
0,03633
Yn (m)
0,02883
Ho (m)
0,108
0,108
0,108
H= Hv - Ho (m)
0,132
0,146
0,155
R (m)
0,0224015
0,02258705
0,026676577
Q (m^3/s)
0,0072056
0,009122505
0,01049312
0,005835404
0,005897573
0,007346063
0,0061
0,0074
A (m^2) n
0,0077
Calcular el coeficiente de rugosidad de Chézy para cada caudal:
Variables
Q1
Q2
Q3
Yn (m)
0,02883
0,02917
0,03633
Ho (m)
0,108
0,108
0,108
H= Hv Ho (m)
0,132
0,146
0,155
R (m)
0,0224015
0,02258705
0,026676577
Q (m^3/s)
0,0072056
0,009122505
0,01049312
A (m^2)
0,005835404
0,005897573
0,007346063
N
0,001911278
0,001681071
0,001285023
C=
0,0077
0,0061
0,0074
Calcular el número de Froude para los diferentes caudales, la profundidad criti ca
25
H= Hv - Ho (cm)
13,2
14,6
15,5
Q (LPS)
7,21
9,12
10,49
Q(m3/s)
0,0072056
0,009123
0,010493
q (m3/s.m)
0,0354957
0,044938
0,051690
Yc (m)
0,0504538
0,059046
0,064821
V (m/s)
1,2348110
1,546824
1,428400
F
2,3219169
2,891436
2,392805
26
27
CONCLUSIONES
Se determinaron las características para canales rectangulares como lo son el área, perímetro, y radio hidráulico, en la práctica son fácilmente recopilados y pueden hacerse los cálculos con facilidad, partiendo de lo que indica la teoría y la geometría propia del canal. Logramos verificar que los valores de Y, A, V y Q son constantes, lo cual corresponde a la caracterización del flujo uniforme. Analizamos en el desarrollo del laboratorio que las pendientes de la solera y de la superficie del agua tienden a ser paralelas, esto puede determinar que se pueden usar las diferentes ecuaciones de flujo uniforme vistas en clase, sin dejar de satisfacer el hecho de que para que el agua fluya uniformemente dentro de un canal debe existir una inclinación en la solera. El método de la obtención del número de Froude, permite determinar el tipo de flujo presente en la práctica de laboratorio. Se verifico la relación asumida por Manning para la deducción de su fórmula, es fácilmente corroborable en la práctica porque se puede obtener el coeficiente C en función del coeficiente n y viceversa, sin dejar de obtener los valores de velocidad y caudal iguales, considerados para cada tramo. Con los parámetros hallados es posible obtener métodos que permitan la comprobación de diseño y diseño de un canal.
28
LABORATORIO Nº4 RESALTO HIDRAULICO
Es un caso específico del flujo rápidamente variado por medio del cual un flujo supercrítico pasa a un estado subcrítico. El fenómeno se caracteriza por un incremento brusco en la profundidad del flujo, acompañado de una gran turbulencia la cual da lugar a un cambio de energía, siendo mayor la energía antes que después del resalto. Tal vez la aplicación más importante de este fenómeno en la ingeniería practica, es su uso como disipador de energía en aquellos casos en los cuales un flujo con gran energía cinética puede causar erosión perjudicial.
Elementos requeridos para el ensayo Procedimiento Se verifico que la pendiente del canal fuera horizontal. Se tomo la lectura inicial del vertedero Se suministro una lámina de agua pequeña sobre el canal para cubrir los piezómetros de agua. Se realizaron los procedimientos para purgar los piezómetros que se encontraban expuestos al aire y contenían cantidades del mismo. Se tomaron las lecturas iniciales de lamina de agua Y1 entre los Piezómetros 10 y 11 y h de los piezómetros p10a p23 como punto cero de referencia. Se abrió la válvula de suministro del caudal con una lamina de agua lo suficientemente grande que permitiera controlar el caudal aguas abajo con la compuerta. 29
Se Determinó la abertura (a1) de la compuerta. Después de permitir estabilizar el flujo, se manipularon las persianas para generar un resalto hidráulico a lo largo del canal para poder tomar la lectura del vertedero triangular y de esta forma conocer la cuantía del caudal. Se procedió a tomar las cuantías de lámina de agua por medio del medidor de aguja constante inicialmente en donde comienza el resalto y posteriormente donde culmina el mismo realizando los cálculos pertinentes para posteriormente compararlos con los cálculos realizados con los piezómetros para medir la misma longitud del resalto pero de una forma más exacta. Se modificó la abertura de la compuerta y se repitieron los procedimientos para calcular la longitud del resalto hidráulico y la cuantía del caudal. RESULTADOS OBTENIDOS RESULTADOS OBTENIDOS
APERTURA DE LAS COMPUERTAS (m)
PIEZ. Nº
LECTURA INI. (cm)
a1 = 2 cm
a2 = 2,5 cm
a3 = 3 cm
10
1,6
1,1
1,7
1,9
11
1,5
1,8
1,9
2,3
12
1,5
1,9
2
2,5
13
1,4
2
2,3
2,6
14
1,4
2,1
2,4
2,7
15
1,4
2
2,4
5,9
16
1,4
2,1
6,5
7,3
17
1,3
2
8,3
7,5
18
1,2
6,2
8,6
7,7
19
1
7,8
8,8
7,9
20
0,9
8,5
8,7
7,7
21
0,8
8,8
8,9
7,9
22
0,7
9
9
7,8
23
0,4
9,1
8,9
7,9
y1 (cm) =
3,2
3,5
3,7
y2 (cm) =
10
10,5
9,8
dX (cm)
89,5
178,2
174,5
Hv (cm) =
25,1
25,4
26,8
Ho (cm) =
10,8
30
Linea Piezometrica 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
Series1
Series2
Series4
a1 = 2 cm
a2 = 2,5 cm
Caudal (lps)
8,76
9,20
caudal (m3/s) Ancho b(cm) =
0,00876
0,00920
Series5
Series6
Series7
23
31
APERTURA DE LAS COMPUERTAS (cm)
PIEZ. Nº a1 = 2 cm
a2 = 2,5 cm
H (cm)
A (m2)
10
1,2
0,00276
3,173742595
0,525910309
1,7
0,00391
2,351962704
11
1,6
0,00368
2,380306946
0,305074549
2
0,0046
12
1,6
0,00368
2,380306946
0,305074549
2,1
13
4,5
0,01035
0,846331359
0,081544733
14
8,5
0,01955
0,448057778
15
10,3
0,02369
16
10,8
17
a2 = 3 cm H (m)
A (m2)
0,299231049
1,8
0,00414
1,999168298
0,223911933
2,2
0,00506
2,252324959
0,2808249
0,00483
1,903969808
0,205954134
2,4
0,00552
2,064631212
0,2414848
2,2
0,00506
1,817425726
0,190522259
2,5
0,00575
1,982045964
0,225434
0,095242641
2,4
0,00552
1,665973582
0,165605509
2,6
0,00598
1,905813427
0,2113125
0,369756419
0,1099755
5,5
0,01265
0,72697029
0,081963561
2,7
0,00621
1,835227744
0,1988398
0,02484
0,352638066
0,114344572
7,8
0,01794
0,512607256
0,091406439
6,5
0,01495
0,762325371
0,09465
11
0,0253
0,346226465
0,116115957
8,3
0,01909
0,481727301
0,094839857
7
0,0161
0,707873558
0,0955656
18
11,1
0,02553
0,343107308
0,117006256
8,5
0,01955
0,470392541
0,096289242
7,4
0,01702
0,669610123
0,0968764
19
11,1
0,02553
0,343107308
0,117006256
8,6
0,01978
0,46492286
0,097028228
7,4
0,01702
0,669610123
0,0968764
20
11
0,0253
0,346226465
0,116115957
8,6
0,01978
0,46492286
0,097028228
7
0,0161
0,707873558
0,0955656
21
11
0,0253
0,346226465
0,116115957
8,6
0,01978
0,46492286
0,097028228
7,5
0,01725
0,660681988
0,0972704
22
11
0,0253
0,346226465
0,116115957
8,7
0,02001
0,459578919
0,097776162
7,5
0,01725
0,660681988
0,0972704
23
11
0,0253
0,346226465
0,116115957
8,7
0,02001
0,459578919
0,097776162
7,5
0,01725
0,660681988
0,0972704
V(m/s)
E(m)
H (cm)
A (m2)
V(m/s)
E(m)
V(m/s)
E(m)
2,752841616
32
0,4046396
Apertura de las compuertas 40 20 0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
PIEZ. Nº APERTURA DE LAS COMPUERTAS (cm) a1 = 2 cm H (cm) APERTURA DE LAS COMPUERTAS (cm) a1 = 2 cm A (m2) APERTURA DE LAS COMPUERTAS (cm) a1 = 2 cm E(m) APERTURA DE LAS COMPUERTAS (cm) a2 = 2,5 cm H (cm) APERTURA DE LAS COMPUERTAS (cm) a2 = 2,5 cm A (m2)
a1
a2
Y1 (m)
0,0089
0,0148
A1 (m^2)
0,00736
0,00805
Q (m3/s)
0,0088
0,00920
V1(m/s)
1,19
1,14
Fr1
2,13
1,95
y2_teo (m)
0,0815
0,0806
y2_exp (m)
0,1
0,105
ERROR Y2 (%)
23%
30%
porcentaje de error 2.5 2 1.5 1 0.5 0 Y1 (m) A1 (m^2) Q (m3/s) V1(m/s)
a1
Fr1
y2_teo (m)
y2_exp (m)
ERROR Y2 (%)
a2
33
A1(m2)
0,00736
0,00805
A2 (m^2)
0,0230000
0,024150
V1(m/s)
1,2
1,1
V2(m/s)
0,38
0,36
-0,00313
-0,000132
Perd. Energia (m) t
0,13
0,06
ERROR ΔE = Δx = 5 (y2-y1)_ teorico
102%
100%
0,3630
0,329
Δx_experimental
2,07
2,75
ERROR ΔX =
82%
88%
Perd. Energia (m)
Porcentaje error ΔX 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 -0.5
Series1
Series2
34
CONCLUSIONES: Podemos observar que la abertura donde proviene el flujo es proporcional a la pérdida hidráulica, tenemos que a menor abertura se observa que es mayor la pérdida. La longitud del resalto está en función de la estabilidad del resalto ofrecida por la compuerta de persiana y de la velocidad inicial del flujo. Los valores experimentales difieren un poco de los valores teóricos y de los obtenidos por medio de los textos de consulta debido a cierta inexactitud al momento de tomar los datos en el laboratorio. A mayor velocidad del flujo en la lámina de agua, mayor es el distanciamiento entre la línea piezométrica y la línea de energía. La fuerza específica es constante antes y después del resalto, y depende directamente de la velocidad de flujo y de altura de la lámina de agua.
35
LABORATORIO Nº5 FLUJO GRADUALMENTE VARIADO
Se denomina flujo permanente, gradualmente variado, aquel flujo en donde sus principales características de flujo no varían con respecto al tiempo en una determinada sección transversal pero varían con respecto a la longitud del tramo en consideración, siendo la consideración del tramo tan suficientemente grande que los cambios en la profundidad del flujo llegan a ser imperceptibles a simple vista. Elementos requeridos para el ensayo
Canal de pendiente Variable Medidor de aguja desplazable Tablero de piezómetros Compuerta colocada después del tanque de aquietamiento sobre el canal. Vertedero Sistema de abastecimiento de agua
Procedimiento
Se verifico que la pendiente del canal fuera horizontal. Se tomó la lectura inicial del vertedero Se permitió que la compuerta y la persiana permitieran el libre desplazamiento del flujo Se abrió la válvula de suministro del caudal y se dejó pasar sobre el canal una lámina de agua pequeña que sea suficiente para que los piezómetros del P10 hasta el P23 queden cubiertos de agua Se realizaron los procedimientos para purgar los piezómetros que se encontraban expuestos al aire y contenían cantidades del mismo. Se tomaron las lecturas iniciales en el panel de control de los piezómetros como nivel de referencia cero Se determinó la abertura de la compuerta, maniobrando el volante dela misma hasta dejarla en un punto para que quedara constante el resto de la práctica, Se determinó el ancho del canal Posterior a la lectura de los piezómetros se cambió la pendiente del canal verificando la plomada con el fin de confirmar el ejercicio. 36
Se suministró un primer caudal permitiendo el paso de agua constante sobre el canal para el registro de un primer valor. Con la ayuda de las persianas cerrándolas gradualmente hasta dejarlas en una posición ideal, se obtiene un resalto hidráulico a lo largo del canal. Al dejar estabilizar el flujo de agua con el resalto establecido se procedió a tomar las lecturas en el vertedero para determinar la labor realizada. Se tomó el medidor de aguja desplazada con el fin de medir la altura de la lámina de agua y las medidas de los diferentes piezómetros a partirdel P10 hasta el P23. Se suministró un segundo y tercer caudal de agua y al dejar estabilizar los niveles se tomaron nuevamente las lecturas realizando los últimos pasos ya mencionados.
Resultados obtenidos
37
Canal de pendiente variable con piezómetros
Válvulas de suministro de agua 38
CAUDAL 1: Q1 Intervalos de profundidad
Altura piezométrica promedio
Profundidad promedio
Abscisas
Δx
x
Altura piezométrica inicial
dx 10
0
0
-1,40
y 10
-1,00
2,50
dx 10-13
91
91
-2,67
y 10-13
-1,63
2,57
dx 13-16
90
181
-4,20
y 13-16
-2,83
2,70
dx 16-19
99
280
-5,57
y 16-19
-4,30
3,00
dx 19-23
121
401
-7,45
y 19-23
0,250
9,63
PENDIENTE -0,01514 Yn
q
4,8334
ynormal 4,8334
C
n
Yc 2,60509 0,23418582
0,00035496 0,23149489
DATOS EXPERIMENTALES Q1 6 4 2 ) m c ( a r u t l A
0 0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
-2 -4 -6 -8
-10
Altura Piezometrica Profundidad Experimental Longitud del Canal (cm) Altura piezometrica inicial Linear (Altura piezometrica inicial)
39
PROFUNDIDADES NORMAL Y CRITICA Q1 6.0000 4.0000 2.0000 0.0000 m c
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
-2.0000 -4.0000 -6.0000 Coordenanda Profundidad Normal Coordenanda Profundidad critica Longitud (cm) Fondo Profundidad Experimetnal
-8.0000
CAUDAL 2 Altura Intervalos Altura Profundidad piezométrica de piezométrica promedio inicial profundidad promedio
Abscisas
Δx
x
dx 10
0
0
-1,40
y 10
-1,30
2,45
dx 10-13
91,2
91,2
-2,67
y 10-13
-1,47
2,58
dx 13-16
89,3
180,5
-4,20
y 13-16
-2,73
2,83
dx 16-19
99
279,5
-5,57
y 16-19
-14,87
3,00
dx 19-23
119
398,5
-7,45
y 19-23
3,15
12,54
PENDIENTE -0,01523
Yn 5,7154
q 0,05326457
C
n 0,001448
ynormal 5,7154 0,05715381
Yc 397,14703 6,61306199
40
20
Q3
10 0 e l t i T -10 s i x A
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
-20 -30 Altura Piezometrica
-40
Profundidad Experimental
Altura Piezometrica Inicial
Axis Title
Linear (Altura Piezometrica Inicial)
PROFUNIDAD NORMAL Y CRITICA Q3 10.0000 8.0000 6.0000 4.0000 e l t i T s i x A
2.0000 0.0000 -2.0000
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
-4.0000 -6.0000 Coordenada profundidad normal Axis Title Profunidad Experimental
-8.0000
Coordenada profundidad critica Fondo
CAUDAL 3 Q3 Altura Intervalos Altura Profundidad piezométrica de piezométrica promedio inicial profundidad promedio
Abscisas
Δx
x
dx 10
0
0
-1,40
y 10
-1,30
2,45
dx 10-13
91,2
91,2
-2,67
y 10-13
-1,47
2,58
dx 13-16
89,3
180,5
-4,20
y 13-16
-2,73
2,83
dx 16-19
99
279,5
-5,57
y 16-19
-14,87
3,00
41
dx 19-23
119
398,5
-7,45
y 19-23
3,15
12,54
PENDIENTE -0,01523 Yn
q
5,7154
C
n
0,05326457
0,001448
ynormal 5,7154 0,05715381 Yc
397,14703 6,61306199
20
Q3
10 0 e l t i T -10 s i x A
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
-20 -30 Altura Piezometrica
-40
Altura Piezometrica Inicial
Profundidad Experimental Axis Title
Linear (Altura Piezometrica Inicial)
PROFUNIDAD NORMAL Y CRITICA Q3 10.0000 8.0000 6.0000 4.0000 e l t i T s i x A
2.0000 0.0000 -2.0000
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
-4.0000 -6.0000 -8.0000
Coordenada profundidad normal Axis Title Profunidad Experimental
Coordenada profundidad critica Fondo
42
Conclusiones
La práctica nos permitió comprobar experimentalmente que es posible caracterizar los diferentes tipos de flujos gradualmente variados teórica y prácticamente, Esto es importante porque de esa manera es posible tener en cuenta que los procedimientos teóricos vistos e clase son aptos para el uso de diseño de canales que transporten esos tipos de flujo.
En la práctica fue posible ver diferentes tipos de flujo: Flujo uniforme y flujo gradualmente variado, lo cual se dio por el tipo de elementos característicos del canal del laboratorio y la posibilidad de tener diferentes pendientes del mismo. Esto nos permite entonces tener un criterio visual en el momento de evaluar un perfil de flujo en canales.
Los números de Froude establecidos están en el rango para flujos sub críticos debido a que las pendientes utilizadas fueron del tipo sub crítico.
Se puede decir que es posible usar los parámetros de flujo uniforme y crítico en este canal, porque el flujo presente en el laboratorio fue el de flujo gradualmente variado, el cual incluye dichos parámetros.
A través del cálculo de la altura de la lámina de agua aguas arriba de la compuerta es posible notar que la compuerta maneja caudales pequeños debido a que las alturas obtenidas.
Las líneas de energía experimentales reflejan las características de flujo gradualmente variado .
43
CONCLUSIONES GENERALES
En el ensayo de Flujo uniforme se pudo determinar que todas las profundidades de los tramos evaluados deben ser iguales teniendo en cuenta que no debe haber ningún resalto hidráulico y como sus velocidades media y caudales deben ser constantes. Así mismo y con forme a la grafica establecida para mencionado tipo de flujo, se puede concluir que las líneas de Energía (LE), la línea piezométrica (LP) y el fondo del canal empleado para este laboratorio son paralelos y por lo tanto sus pendientes son iguales (Sf=Sw=So)
Al desarrollar los ensayos como flujo uniforme y flujo gradualmente variado, cuando se requería tomar lecturas del ancho del canal se tenía una medida métrica en la pared de acrílico del canal y en la parte superior se contaba con un medidor de aguja desplazable. Se pudo demostrar que la medida métrica tomada en la pared del canal en algunos tramos se encontraba desfasada de la medida real y más precisa tomada por el medidor de aguja desplazable ya que en algunos tramos del canal, las paredes han cedido de su lugar ideal para lo cual fueron creadas debido al material con el que fueron construidas o las presiones o desgaste que se generan en las mismas lo cual genera un mínimo error en los cálculos al momento del ensayo de laboratorio. En la práctica de Resalto Hidráulico, para calcular la longitud del mismo, se logro hacer por medio del medidor de aguja desplazable al inicio del resalto donde prácticamente no existe turbulencia y al final del mismo donde notoriamente se inician a desaparecer las burbujas de turbulencia del fluido. Con forme a los cálculos realizados posteriormente por medio de los piezómetros con la presión y longitud de los mismos se pudo determinar que la diferencia existente en la longitud del resalto hidráulico no fue tan grande pero se tiene una mayor precisión por medio de los piezómetros.
44
BIBLIOGRAFIA
MONSALVE SAENZ, Germán. Hidrología en la Ingeniería, Escuela Colombiana de Ingeniería. SILVA GARAVITO, Luís Felipe. Hidráulica de canales. VEN TE CHOW. Hidráulica de canales. STREETER, Víctor L. Mecánica de los Fluidos. Me Graw Hill. Cuarta edición. México. SEARS, Francis; ZEMANSKY, Mark. Física Universitaria. Aguilar. 1966. España. Guías de laboratorio de hidráulica II. Universidad Militar Nueva Granada. Ing. Jesus H. Ramos Manual del Ingeniero Civil. Tomo II. Cuarta Edición. McGraw Hill.
45
