UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL, SISTEMAS Y ARQUITECTURA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL
TEMA ORIFICIOS, BOQUILLAS Y VERTEDEROS CURSO MECÁNICA DE FLUIDOS I PROFESOR ING. LOAYZA RIVAS CARLOS ALUMNOS
DE LA CRUZ TENORIO ERICK JENNER JHUSEP RODAS VALVERDE ELEVIT JOEL SILVA SALAS VICTORIA DEL MILAGRO
Contenido
1
ORIFICIOS............................................................................................................... 3 1.1
DEFINICIÓN..................................................................................................... 3
1.2
USOS ................................................................................................................. 3
1.3
CLASIFICACION DE ORIFICIOS .................................................................. 3
1.3.1
ORIFICIOS CON DESCARGA LIBRE .................................................... 3
1.3.2
ORIFICIOS SUMERGIDOS TOTALMENTE.......................................... 3
1.3.3
ORIFICIOS SUMERGIDOS PARCIALMENTE...................................... 3
1.3.4
ORIFICIOS CON PARED DELGADA..................................................... 4
1.3.5
ORIFICIOS CON PARED GRUESA ........................................................ 4
1.3.6
ORIFICIOS DE TUBO .............................................................................. 4
1.4
PRINCIPIOS HIDRAULICOS EN ORIFICIOS ............................................... 4
1.4.1 2
VERTEDEROS ........................................................................................................ 6 2.1
3
El gasto “Q”. ............................................................................................... 4
Clasificación ...................................................................................................... 6
2.1.1
VERTEDEROS DE PARED DELAGADA .............................................. 6
2.1.2
VERTEDEROS DE PARED GRUESA ..................................................... 7
PRINCIPIOS HIDRAULICOS ................................................................................ 7 3.1
ECUACION GENERAL DE GASTO .............................................................. 8
2 Mecánica de Fluidos I
1 ORIFICIOS 1.1 DEFINICIÓN Son perforaciones, generalmente de forma regular y perímetro cerrado, colocado por debajo de la superficie, en tanques, canales o tuberías. Considerando un recipiente lleno de agua al cual se le realiza un orificio en una de sus paredes por debajo del nivel del agua, el fluido saldrá con una determinada fuerza por dicho orificio.
1.2 USOS La utilidad del orificio es descargar el caudal cuya magnitud se desea calcular, por lo cual se supone que el nivel del fluido en el recipiente permanece constante por efecto de la entrada de un caudal idéntico al que sale, o bien porque posee un volumen muy grande.
1.3 CLASIFICACION DE ORIFICIOS La clasificación puede realizarse 1. De acuerdo a su función:
Descarga libre Ahogados parcialmente
2. De acuerdo a su forma
Circular Cuadrada Rectangular Etc.
1.3.1 ORIFICIOS CON DESCARGA LIBRE Son aquellos en los que el nivel del líquido de la descarga se encuentre por debajo del orificio 1.3.2 ORIFICIOS SUMERGIDOS TOTALMENTE Son aquellos en los que el nivel de líquido de la descarga se encuentra por encima y por debajo del orificio, pueden ser de dimensiones fijas o ajustables 1.3.3 ORIFICIOS SUMERGIDOS PARCIALMENTE Son orificios sumergidos ajustables en los que el área de descarga puede modificarse a voluntad, con el fin de acomodar el área a los distintos caudales probables y necesarios.
3 Mecánica de Fluidos I
1.3.4 ORIFICIOS CON PARED DELGADA En estos orificios el agua al salir tiene contacto con un solo punto y lo llena completamente. La vena liquida sufre una contracción, que llega a ser extrema en la parte que se denomina vena o sección contraída. 1.3.5 ORIFICIOS CON PARED GRUESA En estos orificios el agua a salir tiene contacto en más de un punto, se le puede dar forma abocinada para que al salir el agua se forme un chorro igual al diámetro del orificio. 1.3.6 ORIFICIOS DE TUBO La salida del orificio está conectada a un tubo corto, es decir, el líquido no sale a la superficie libremente inmediatamente, sino a un tubo de pequeña longitud aproximadamente 2 o 3 veces el diámetro del orificio.
1.4
PRINCIPIOS HIDRAULICOS EN ORIFICIOS
1.4.1 El gasto “Q” Para el cálculo del gasto necesitas:
Área del orificio Velocidad Energía del flujo Coeficiente de contracción Coeficiente de velocidad Coeficiente de descarga
1.4.1.1 Coeficiente de contracción Es la relación que existe entre el área de la sección transversal de la vena contracta y el área de la sección del orificio
=
== Coeficiente de contracción Área de la sección contraída de la vena = Área de la sección del orificio
4 Mecánica de Fluidos I
1.4.1.2 COEFICIENTE DE VELOCIDAD Es la relación que existe entre la velocidad real y la velocidad teórica
= = coeficiente de velocidad = velocidad real = velocidad teórica = velocidad final
= √
= √ =
1.4.1.3 COEFICIENTE DE DESCARGA Es la relación que existe entre el gasto real y la velocidad teórica. Es el producto generado al relacionar el coeficiente de contracción con el coeficiente de velocidad.
= √ =
= coeficiente de descarga = coeficiente de velocidad = gasto real = = velocidad teórica GASTO
= √ 2
= gasto = coeficiente de descarga = área de orificio = gravedad = altura entre la superficie y el centro de gravedad del orificio.
5 Mecánica de Fluidos I
2 VERTEDEROS Los vertederos son probablemente las estructuras de aforo más usadas en la medición del volumen de agua que circula en un canal.
2.1 Clasificación Los vertederos se pueden clasificar o dividir en dos grupos; vertederos de pared delgada y vertederos de pared gruesa. Cada uno de los vertederos tiene características específicas de funcionamiento hidráulico y condiciones de instalaciones en sitio. 2.1.1 VERTEDEROS DE PARED DELAGADA Se refiere al tipo de estructura de medición que también es conocido como vertedor de cresta afilada, el termino cresta afilada puede causar confusión. 2.1.1.1 Vertederos de pared delgada rectangulares con contracción Presentan una muesca de forma rectangular que no ocupa el ancho total del canal. De esta forma el paso se cierra en ambos lados y permite que la lámina vertiente se contraiga en sentido horizontal.
Gasto para vertederos rectangulares con contracción
Una de las ecuaciones más utilizadas para determinar el gasto de un vertedor rectangular con contracciones laterales es la expresión propuesta por la sociedad de ingenieros y arquitectos de suiza.
.−. = .{+. + }[ +. +.() + ] 2.1.1.2 Vertederos con pared delgada rectangulares sin contracción Cuando abarcan todo el ancho de un canal de paredes verticales. (En este caso se requiere asegurar la ventilación de la superficie de la lámina vertiente). Son de sección transversal rectangular.
6 Mecánica de Fluidos I
Gasto para vertedor rectangular sin contracción
Una de las ecuaciones más utilizadas para determinar el gasto que circula por un vertedor rectangular sin contracciones laterales es:
= .(.+. )+. 2.1.1.3 Vertederos de pared delgada trapezoidal Presentan una muesca de forma trapezoidal que no ocupa el ancho total del canal. De esta forma el paso se cierra en ambos lados y permite que la lámina vertiente se contraiga en sentido horizontal. 2.1.1.4 Vertederos de pared delgada triangular Vertedor en forma de “V”, esta sección se logra practicando un corte triangular, con la
base invertida en una placa. Su ventaja es que ofrece una facilidad para medir gastos pequeños con presión y cubrir un rango amplio. Comúnmente se usa con un Angulo de 90°, pero se pueden usar otros ángulos. 2.1.2 VERTEDEROS DE PARED GRUESA Los vertederos de pared gruesa son estructuras comúnmente incorporadas en distritos de riego para control de nivel y no como estaciones de aforo.
3 PRINCIPIOS HIDRAULICOS Cualquier barrera u obstáculo, colocado sobre un canal en el que circula un flujo a superficie libre puede ser utilizado como un medidor de gasto. Siempre que sea posible establecer una relación entre la carga y el gasto. La geometría de la barrera determina un coeficiente de descarga “Cd” y un coeficiente “u”
=
= gasto en m/s = coeficiente de descarga = longitud de la cresta vertedora = carga hidráulica o profundidad del agua sobre la cresta 7 Mecánica de Fluidos I
Algunas de las consideraciones que debes tener en cuenta:
Para un gasto medir, la altura del nivel del agua( carga hidráulica) sobre el vertedor no debe ser menor a 6m y no exceder los 60 m
Para vertederos triangulares y trapezoidales, la carga no debe de exceder de un tercio de la longitud del vertedor.
La longitud del vertedor debe ser seleccionada de forma que la carga para el caudal de diseño cumpla en forma cercana para valores máximos delimitados en las recomendaciones anteriores.
La cresta debe ser puesta a un altura tal que el flujo que circula por arriba tenga una caída libre, cuidando dejar un espacio aireado pr la parte de abajo y a los costados.
Una recomendación para seleccionar el tipo de vertedor de cresta delgada en función del gasto máximo que circula en un canal es:
Para un gasto mayor a 300 l/s se puede instalar un vertedor rectangular.
Para un gasto entre 300 l/s a 30 l/s se puede instalar un vertedor rectangular o triangular, aunque se ha notado que para ese tipo de estaciones de aforos, el vertedor triangular facilita su construcción.
Para un gasto menor de 30 l/s es recomendable la instalación de un vertedero triangular.
3.1
ECUACION GENERAL DE GASTO
Para realizar el cálculo del gasto “Q” necesitas:
Altura de la cresta (p) Carga total(H) Velocidad puntual (v) Carga hidrostática(y) Carga sobre la cresta del vertedor(h0) Velocidad final(v2)
Ecuación general de gasto Aplicando la ecuación de Bernoulli
= ℎ+ 2 = + 2 8 Mecánica de Fluidos I
=
Considerando despreciable la v2, la velocidad en cualquier punto seria
√ 2 −
El gasto que pasa en un área determinada lo podemos representar como
= 2√ 2√ −
Donde es el factor de corrección que toma en cuenta la modificación en la trayectoria de las líneas de corriente. Integrando la ecuación anterior
= 2√ 2∫0 √ − = 2√ 2[ − −ℎ] Relacionando con la ecuación de Bernoulli
= 2 √ 2[ℎ + − ]
3
2
2
Agregando en Cd a la ecuación
= ℎ
o
=
La segunda ecuación se utiliza cuando el valor de la v2 es importante: = ℎ+
9 Mecánica de Fluidos I
