ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL Facultad de Ingeniería Civil y Ambiental Carrera de Ingeniería Civil Laboratorio-Hidráulica I Informe Práctica N°07 Integrantes: ● ● ● ● ● ●
Bryan Angulo Gerio Castro Dylan Cruz Alejandro Idrobo David Orquera Yajaira León
Nombre del instructor: Ing. Marcelo Ruiz Tema:
FLUJO BAJO UNA COMPUERTA PLANA VERTICAL
Horario:
viernes 7:00-9:00
Fecha de realización de la práctica:
TERCER SEMESTRE 2018-A QUITO-ECUADOR
20 /07/2018
CONTENIDO 1. 2. 3.
TEMA INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL OBJETIVO ESPECÍFICO
4. 5.
MARCO TEÓRICO METODOLOGÍA METODOLOGÍA METODOLOG ÍA DE TOMA DE DATOS Y EXPERIMENTACIÓN 5. MEDIDA DEL PIEZOMETRO METODOLOGÍA DE PROCESAMIENTO PROCESAMIENTO DE DATOS
6.
PRESENTACIÓN PRESENTACIÓ N Y ANÁLISIS DE RESULTADOS RESULTADOS
7. CONCLUSIONES CONCLUSIONES 8. RECOMENACIONES RECOMENACIONES 9. CONSULTA AMPLIATORIA 10. REFERENCIAS REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS BIBLIOGRÁFICAS
3 3 3 3 3 3 5 5 8 9 9 9 14 15 16 20
1 Figura. Compuerta Plana Vertical .................................................................... ................................................................................................... ............................... 4 2 Colocación de la compuerta dentro del canal ........................................................... .................................................................................. ....................... 6 3 Colocación de la plastilina en los laterales .................................................................. ....................................................................................... ..................... 6 4 Vista de la Compuerta ya colocada .................................................................................................. .................................................................................................. 6 5 Medidas del Canal hidrodinámico........................................................ .................................................................................................... ............................................ 6 6 Encendido del canal hidrodinámico ............................................................... ................................................................................................. .................................. 7 7 colocación de la compuerta a cierta abertura...................................... abertura.................................................................................. ............................................ 7 8 medida de la abertura de la compuerta ...................................................................... ........................................................................................... ..................... 7 9 Colocación adecuada del limnimetro y toma calado ......................................................... ...................................................................... ............. 8 10Colocación adecuada del limnimetro y toma calado ......................................................... ...................................................................... ............. 8 11 toma de altura del piezómetro ........................................................................................................ ........................................................................................................ 8 12 Coeficiente de contracción vs a/d1................................................................... ................................................................................................ ............................. 11 13 Coeficiente de velocidad vs. a/d1 ........................................................ .................................................................................................. .......................................... 11 14 Coeficiente de descarga vs a/d1........................................................... ..................................................................................................... .......................................... 12 15 Línea de energía para una apertura de 3 cm .......................................................... ............................................................................... ..................... 12 16 Línea de energía para una apertura de 5 cm .......................................................... ............................................................................... ..................... 13 17 Línea de energía para una apertura de 10 cm. ....................................................... ............................................................................ ..................... 13 18 Compuerta Radial......................................................... .......................................................................................................................... ................................................................. 16 19 Compuerta Rectangular ...................................................................... ................................................................................................................ .......................................... 17 20 Compuerta con rodillo ............................................................. ................................................................................................................... ...................................................... 17 17 21 Compuerta Flap ............................................................ ............................................................................................................................. ................................................................. 18 22 Compuerta Mariposa............................................................... ..................................................................................................................... ...................................................... 18 23 Tamaño de un orificio vs tamaño de una compuerta.................................................................. compuerta.................................................................. 19 24 Diferencias de coeficientes de descarga........................................................ ........................................................................................ ................................ 20
1.
TEMA FLUJO BAJO UNA COMPUERTA PLANA VERTICAL
2.
INTRODUCCIÓN Esta práctica está enfocada en el estudio del flujo bajo las compuertas y de los respectivos coeficientes que tienen que ver en esa clase de fenómenos. Como se comporta el flujo aguas arriba y aguas abajo mientras se varía el caudal y la altura del canal. Tomando las mediciones vamos a encontrar los diversos coeficientes que nos servirán para poder ver si el desarrollo práctico con su respectivo cálculo matemático tiene sentido con lo teórico (G, 2018)
3.
OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL
●
Encontrar los coeficientes de descarga, velocidad y contracción de una compuerta
OBJETIVO ESPECÍFICO
Comparar los valores teóricos con los valores experimentales
Reconocer el funcionamiento y aplicaciones de las compuertas
4.
MARCO TEÓRICO
DEFINICIÓN DE COMPUERTA. Una compuerta es una placa móvil, que, al levantarse, forma un orificio entre su borde inferior y la estructura hidráulica sobre la cual se instala, y se utiliza para la regulación de caudales, en la mayoría de los casos, y como emergencia y cierre para mantenimiento de otras estructuras, en los otros. Como se ve en la Figura 1. (Pérez, 2018)
1 Figura. Compuerta Plana Vertical
Las compuertas tienen las propiedades hidráulicas de los orificios y, cuando están bien calibradas, también pueden emplearse como medidores de flujo. (Pérez, 2018)
CLASIFICACIÓN DE LAS COMPUERTAS. Las condiciones físicas, hidráulicas, climáticas y de operación, estudiadas apropiadamente, imponen la selección del tipo y tamaño adecuado de las compuertas. Éstas se diseñan de diferentes tipos y con variadas características en su operación y en su mecanismo de izado (Pérez, 2018)
SEGÚN LAS CONDICIONES DEL FLUJO AGUAS ABAJO: Compuerta con descarga libre. Compuerta con descarga sumergida o ahogada.
SEGÚN EL TIPO DE OPERACIÓN O FUNCIONAMIENTO Compuertas Principales: de regulación de guarda o de cierre
COMPUERTAS DE EMERGENCIA Las compuertas de emergencia se utilizan en los eventos de reparación, inspección y mantenimiento de las compuertas principales, siendo concebidas para funcionar tanto en condiciones de presión diferencial, en conductos a presión, como en condiciones de presión equilibrada. (Pérez, 2018)
DE ACUERDO A SUS CARACTERÍSTICAS GEOMÉTRICAS: Compuertas planas, Rectangulares, Cuadradas, Circulares, Triangulares, etc. (Pérez, 2018)
5.
METODOLOGÍA METODOLOGÍA DE TOMA DE DATOS Y EXPERIMENTACIÓN DATOS OBTENIDOS En la tabla No. 1 TABLA DE RESULTADOS – LABORATORIO Se presentan los datos obtenidos sobre la diferencia de cargas de presión (∆h), el calado aguas arriba (d1) y aguas abajo (d2) para diferentes caudales de agua y diferentes medidas de apertura (a). N° de medición
∆h (cm)
a (cm)
d1 (cm)
d2 (cm)
1
5
3
9,3
2,3
2
13
25,4
2,5
3
22
17,6
3,5
4
30
23
3,5
5
80
18,6
7
6
91,5
21
6,5
5
10
EVIDENCIA FOTOGRÁFICA DE LA PRÁCTICA REALIZADA 1.
PREPARACIÓN DELA COMPUERTA Se realizó una explicación general de como colocar la compuerta dentro del canal hidrodinámica a utilizarse, tomando en cuenta de forma cuidadosa las características físicas de la compuerta (a, b), así también tener presente que cada vez que se coloque la compuerta debe adherirse plastilina entre los lados laterales de la compuerta y la pared del canal.
2.
2 Colocación de la compuerta dentro del canal
3 Colocación de la plastilina en los laterales
4 Vista de la Compuerta ya colocada
5 Medidas del Canal hidrodinámico
PREPARACIÓN DEL CANAL HIDRODINÁMICO Se procedió a prender el canal hidrodinámico con el cual se tomó las respectivas medidas de la abertura de la compuerta y su respetico calado. La práctica consistió en varios cambios de caudal, lo cual significó que este procedimiento de abrir o cerrar la llave se dio varias veces.
6 Encendido del canal hidrodinámico
3.
ABERTURA DE LA COMPUERTA Se procedió adoptar una abertura en la compuerta a utilizarse dentro de caudal y teniendo el mismo caudal se varió la apertura varias veces obtenido lecturas del calado contraído d2 , así como la lectura total d1
7 colocación de la compuerta a cierta abertura
8 medida de la abertura de la compuerta
4.
MEDIDA DE CALADO. Se continuó tomando la medida del calado del fluido, con la cual se procedió a calcular la altura respecto a la base, este procedimiento se dio cada vez que se cambió la apertura de la compuerta o vario el caudal en el canal hidrodinámico.
9 Colocación adecuada del limnimetro y toma calado 10Colocación adecuada del limnimetro y toma calado
5. MEDIDA DEL PIEZOMETRO Se procedió cada vez que vario el caudal a tomar la altura del piezómetro
11 toma de altura del piezómetro
METODOLOGÍA DE PROCESAMIENTO DE DATOS
Determinación del caudal:
= ∗ ∗ ∗√ 2 ∗ ∗ 1
En general el caudal es:
= ∗(∆ℎ)
Siendo Cd:
= ∗ ∗ 1 + 1
Cc = coeficiente de contracción = d2/a Cv = coeficiente de velocidad
Sotelo A. Propone una ecuación para el cálculo del coeficiente de velocidades, basada en las experiencias de muchos investigadores:
= 0.96+ 0.0979 ∗ 1 6.
PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS RESULTADOS En la tabla No. 2 DETERMINACION DE CAUDAL Datos para el cálculo del caudal en cada medición; el área de la sección transversal, la velocidad y la energía específica aguas arriba y aguas abajo.
N° de
A1 (m2) A2 (m2) Q (m3/s) V1 (m/s) V2 (m/s) H1 (m) H2 (m)
medición 1
0,037
0,009
0,011
0,290
1,174
0,0973 0,0932
2
0,102
0,010
0,017
0,171
1,741
0,2555 0,1796
3
0,070
0,014
0,023
0,322
1,618
0,1813 0,1685
4
0,092
0,014
0,026
0,288
1,890
0,2342 0,2170
5
0,074
0,028
0,043
0,581
1,543
0,2032 0,1913
6
0,084
0,026
0,046
0,550
1,777
0,2254 0,2259
El caudal se obtiene mediante el uso de la ecuación de la curva de descarga Q= 0,0483∆h 0,5
Tabla No. 3 DETERMINACION DE LOS COEFICIENTES Los valores de los coeficientes de contracción, de velocidad y de descarga para cada apertura se encuentran en la tabla 3, la cual se muestra a continuación para una medición por cada apertura. N° de medición
Cc
Cv
Cd
1
0,77 0,99 0,68
2
0,83 0,97 0,77
3
0,70 0,99 0,63
4
0,70 0,98 0,64
5
0,70 1,01 0,60
6
0,65 1,01 0,57
Valor medio
0,73 0,99 0,65
Además, en las figuras 12, 13 y 14, se presentan las gráficas de cada uno de los coeficientes vs. apertura dividido para calado aguas arriba.
Cc vs. a/d1 0.90 0.80
y = 0.6227x-0.12 R² = 0.5823
0.70 0.60 0.50
c C
0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 0
0.1
0.2
0.3 a/d1
0.4
0.5
0.6
12 Coeficiente de contracción vs a/d1
Cv vs. a/d1 1.02 1.01 1.01 1.00 1.00 v C0.99 0.99 0.98 0.98 0.97 0.97
y = 0.0979x + 0.96 R² = 1
0
0.1
0.2
0.3 a/d1
0.4
13 Coeficiente de velocidad vs. a/d1
0.5
0.6
Cd vs. a/d1 0.90 0.80 0.70 y = 0.5271x-0.166 R² = 0.7702
0.60 0.50
d C
0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 0
0.1
0.2
0.3 a/d1
0.4
0.5
0.6
14 Coeficiente de descarga vs a/d1
Por último, en las figuras 15, 16 y 17 se aprecian tres gráficos que muestran la línea de energía para cada medida de apertura.
15 Línea de energía para una apertura de 3 cm
16 Línea de energía para una apertura de 5 cm
17 Línea de energía para una apertura de 10 cm.
ANÁLISIS DE RESULTADOS ●
Los valores tabulados de los coeficientes para una compuerta plana vertical son Cc=0,63, Cv=0,99 y Cd=0,6. Los valores calculados se aproximan a estos, por lo que son aceptables.
●
Las figuras 1 y 3 muestran que no existe relación de proporcionalidad directa entre el valor de a/d1 y los coeficientes de contracción y de descarga. La figura 2 muestra que existe relación de proporcionalidad directa entre el coeficiente de velocidad y el valor de a/d1.
●
La mayor pérdida de energía se dio para la apertura de 3 cm, cuando el calado aguas arriba es de 25,4 cm, siendo este el calado de mayor magnitud dentro de la práctica. La menor pérdida de energía se registró de igual forma para la apertura de 3 cm, pero en el
caso del calado aguas arriba de 9,3 cm, siendo este el calado de menor magnitud analizado en la práctica. Se puede apreciar que a medida que el calado aguas arriba aumenta, la energía perdida también lo hace.
7.
CONCLUSIONES EN ÉSTA EXPERIENCIA ¿CUÁL DE LOS VALORES: CC, CD, CV, ¿PERMANECEN CONSTANTES? El coeficiente de contracción permanece constante y esto se debe a que su valor depende de la geometría del flujo, así como la arista afilada de la compuerta, y al mantenerse constantes durante el lapso de la experimentación. Es decir, al no cambiar el flujo, ni de diámetros de la compuerta este coeficiente permanece aproximadamente constante.
¿CUÁL COEFICIENTE ES MÁS SENSIBLE DE VARIAR? El coeficiente de descarga es más sensible a variar, al tener diferentes cargas de presión y al variar el caudal del flujo en el canal.
COMPARE LOS VALORES DE CAUDAL OBTENIDOS EN LA ECUACIÓN 1 (COMPUERTA) Y LA ECUACIÓN 2 (PLACA ORIFICIO). Al comparar los resultados obtenidos se observa que los valores son muy cercanos, sin embargo, el que mejor aproximación tiene, es el obtenido por la ecuación 1 (compuerta), porque toma las condiciones experimentales, a diferencia de la ecuación 2 que es muy general. El caudal obtenido con la ecuación 1 presenta menor error, sin embargo, las dos ecuaciones son confiables.
CONCLUSIONES DE LA PRÁCTICA REALIZADA ●
Se determinó que la principal función de las estructuras hidráulicas tipo compuertas, es de regular niveles, controlar caudales y flujos; en un canal hidráulico, una presa, un
embalse, una esclusa o cualquier estructura hidráulica parecida. Un ejemplo en el mundo son las compuertas tipo esclusas utilizadas en el canal de panamá que sirven para permitir el paso de barcos de alto calado, y regular los niveles de agua dentro y fuera de la esclusa. Otro ejemplo es en el control de inundaciones o la creación de embalses de retención de agua para sistemas de drenaje o de riego. ●
Al analizar los resultados, se observa que el valor de los coeficientes Cc, Cd, Cv dependen de la geometría del flujo, la arista afilada de la compuerta, tensión superficial del flujo, la diferencia de velocidades, la relación entre la altura aguas arriba y aguas abajo, así como de la abertura de la compuerta y el caudal de ensayo. Además, corrigen la pérdida de energía en el flujo de ensayo, y que su valor es específico para cada método de ensayo y estructura hidráulica.
●
Existen algunos tipos de compuertas como se especifica en la consulta ampliatoria del presente informe, está en criterio del ingeniero a cargo de la obra escoger cual compuerta escoger para su construcción. Este criterio es influenciado por el requerimiento de la obra, así como las necesidades del proyecto y los costos tanto en su fabricación, operación y mantenimiento.
●
En el ensayo, se comprobó un fenómeno hidráulico, conocido como resalto hidráulico, ocasionado cuando un flujo cambia considerablemente de velocidad, de un flujo lento a uno torrencial, asociado a una pérdida de energía. Además, se observó que a menor tamaño de la abertura de la compuerta la velocidad aguas abajo es mayor y la velocidad de aproximación aguas arriba es despreciable. Incluso se determinó que, por las líneas de corriente y el perfil de velocidades, que la velocidad del flujo no es constante, ni uniformemente distribuida.
8.
RECOMENACIONES
●
Asegurarse durante el procedimiento de ensayo que la compuerta esté bien cerrada y sellada, en especial por las ranuras entre las paredes del canal y la compuerta. Así como que los tornillos estén debidamente ajustados.
●
Antes de la toma de cualquier medida, esperar que el flujo en el canal se estabilice, con el fin de obtener lecturas confiables y precisas. Esto se consigue observando que la superficie de flujo esté horizontal.
●
Asegurarse que la toma de medidas sea antes de que se forme el resalto hidráulico, por lo que es necesario seleccionar el caudal necesario para que le resalto hidráulico este lejano de la sección de control. Mientras mayor sea la relación entre la altura aguas arriba y aguas abajo, el resalto estará más alejado de la compuerta.
9. CONSULTA AMPLIATORIA
CONSULTE LOS TIPOS DE COMPUERTA Las compuestas son dispositivos mecánicos que ayudan a controlar caudales y regular niveles de agua en un sitio determinado, para llevar a cabo esta tarea se emplean distintos tipos de compuertas según su necesidad. (Edwin Cazas 2018)
COMPUERTA RADIAL. Las compuertas radiales tienen en su estructura una parte cilíndrica y se mueven gracias a un eje horizontal que se encuentra en la superficie, pueden funcionar completamente sumergidas, su costo es mucho mayor que el de una compuerta rectangular, pero su costo de mantenimiento es mucho menor. En la figura 1 se muestra un ejemplo de compuerta radial. (Sotelo 1996)
18 Compuerta Radial
COMPUERTA RECTANGULAR Las compuertas rectangulares tienen una cara plana y sirven principalmente para controlar un flujo de agua, el material de su estructura dependerá de la presión del agua y la forma del canal donde será colocada, tienen un precio inferior a la compuerta radial, pero su costo de mantenimiento es mayor. La figura 2 es un ejemplo de compuerta rectangular. (Sotelo 1996)
19 Compuerta
Rectangular
COMPUERTA PLANA CON RODILLO. La compuerta plana con rodillo permite regular grandes flujos de agua, esta compuerta se desliza entre sus rodillos evitando fricción, lo que conlleva a tener motores de menor potencia para abrir o cerrar la compuerta. La figura 3 representa un ejemplo de compuerta con rodillo. (Luis Sandoval 2013)
20 Compuerta con rodillo
Compuerta Flap La compuerta Flap sirve para regular flujos pequeños, esta se cierra o se abre producto de la diferencia de presiones aguas arriba. Su forma es circular (parecida a una tapa) generalmente construida en acero o hierro. La figura 4 presenta un ejemplo de compuerta Flap.(Luis Sandoval 2013)
21 Compuerta Flap
COMPUERTA MARIPOSA La compuerta Mariposa gracias a su estructura de doble compuerta permite controlar un flujo de agua en dos direcciones como muestra la Figura 5. Son usadas en lugares que tienen poco espacio ya que al abrir o cerrar la compuerta gira en su propio eje. ( Luis Sandoval 2013)
22 Compuerta Mariposa
IDENTIFICAR LAS PRINCIPALES DIFERENCIAS ENTRE ORIFICIOS Y COMPUERTAS. Una de las diferencias más claras entre orificios y compuertas es el tamaño de los mismos, El orificio es una pequeña perforación referente a una compuerta, además la cantidad de caudal que contralora cada uno es muy diferente. La figura 6 representa la diferencia mencionada.
23 Tamaño de un orificio vs tamaño de una compuerta
La compuesta gracias a motores o procedimientos manuales puede controlar un determinado nivel de agua, sin embargo, el orificio no puede ser regulado.
DESCRIBA CUAL ES LA PRINCIPAL DIFERENCIA EN EL FLUJO CUANDO SE TIENE DESCARGA LIBRE Y DESCARGA SUMERGIDA. Una diferencia notoria es el aumento del coeficiente de descarga(Cd) cuando se produce una descarga libre, por lo tanto, el coeficiente de descarga sumergido es menor, debido a que el coeficiente de descarga(Cd) está en función de del coeficiente de contracción(Cc) y el coeficiente de velocidad(Cv). Al tener una salida libre la velocidad no tiene una presión o fuerza que la impida ir con mayor velocidad como ocurre en la descarga sumergida, por ello aumenta el coeficiente (Cd). En la figura 7 se puede evidenciar la diferencia de los coeficientes de descarga. (Sotelo 1996)
24 Diferencias de coeficientes de descarga
10. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Sotelo Ávila. (1996). Hidráulica General. México: Luminosa.
Luis Sandoval. (2013). Medición de flujos en compuertas y orificios. Guatemala. Editorial SL
G,
C.
(27
de
07
de
2018). scribd .
Obtenido
de
scribd
web
site
:https://es.scribd.com/document/263979549/Informe-4-Flujo-Bajo-Compuertas
Pérez, R. M. (27 de 07 de 2018). bdigital . Obtenido de bdigital web site: http://www.bdigital.unal.edu.co/12697/49/3353962.2005.Parte%209.pdf
