PRACTICA Nº 5
VERTEDORES
INTRODUCCION Se define como vertedor a un dispositivo hidráulico constituido por una escotadura, a través de la cual se hace circular el agua. Hidráulicamente es un orificio que no está totalmente ahogado por el nivel de aguas arriba, de manera que una parte del orificio esta libre y no proporciona gasto alguno, o sea que equivale a un orificio sin el borde superior. La vena liquida que fluye a través del vertedor se llama capa o lamina. Las finalidades de los vertederos pueden ser:
Como dispositivo de aforo o elementos de calibración de aforadores en laboratorios hidráulicos. En la medición de caudales en conducciones libres, así como en obras de control o de excedencias.
OBJETIVOS El objetivo de la presente practica es la determinación de la curva de calibración de un vertedor (de pared delgada trabajando libre), que relaciona el gasto en un canal con la carga sobre el vertedor. IDENTIFICACION DE VARIABLE C = Coeficiente de descarga. MARCO TEORICO Se llama vertedero a la estructura hidráulica sobre la cual se efectúa una descarga a superficie libre. Los vertederos son estructuras que tienen aplicación muy extendida en todo tipo de sistemas hidráulicos y expresan una condición especial de movimiento no uniforme en un tramo con notoria diferencia de nivel. Normalmente desempeñan funciones de seguridad y control. El vertedero puede tener diversas formas según las finalidades a las que se destine. Si la descarga se efectúa sobre una placa con perfil de cualquier forma, pero de arista aguda, el vertedero se llama de pared delgada; cuando la descarga se realiza sobre una superficie, el vertedero se denomina de pared gruesa. Ambos tipos pueden utilizarse como dispositivos de aforo en el laboratorio o en canales de pequeñas dimensiones. El vertedero de pared gruesa se emplea, además, como obra de control o de excedencias en una presa y como aforador en grandes canales.
FUNCION DEL VERTEDERO Un vertedero puede tener las siguientes misiones:
Lograr que el nivel de agua en una obra de toma alcance el nivel de requerido para el funcionamiento de la obra de conducción. Mantener un nivel casi constante aguas arriba de una obra de toma, permitiendo que el flujo sobre el coronamiento del vertedero se desarrolle con una lámina líquida de espesor limitado. En una obra de toma, el vertedero se constituye en el órgano de seguridad de mayor importancia, evacuando las aguas en exceso generadas durante los eventos de máximas crecidas. Permitir el control del flujo en estructuras de caída, disipadores de energía, transiciones, estructuras de entrada y salida en alcantarillas de carreteras, sistemas de alcantarillado, etc.
CLASIFICACION DE LOS VERTEDEROS La clasificación de los vertederos puede realizarse en función de diversos factores. Por su localización en relación a la estructura principal: Vertederos frontales Vertederos laterales Vertederos tulipa (este tipo de vertedero se sitúa fuera de la presa y la descarga puede estar fuera del cauce aguas abajo) Desde el punto de vista de los instrumentos para el control del caudal vertido: Vertederos libres, sin control. Vertederos controlados por compuertas. Desde el punto de vista de la pared donde se produce el vertimiento: Vertedero de pared delgada Vertedero de pared gruesa Vertedero con perfil hidráulico Desde el punto de vista de la sección por la cual se da el vertimiento: Rectangulares
Triangulares Trapezoidales Circulares Lineales (en estos el caudal vertido es una función lineal del tirante de agua sobre la cresta.)
CLASIFICACION SEGÚN SU FORMA GEOMETRICA VERTEDERO RECTANGULAR
La fórmula fundamental de caudal vertido en vertederos de sección rectangular, sin contracción, también conocido como vertedero de Bazin, es:
Donde: Q: caudal en m3/s Cd: es un coeficiente indicador de las condiciones de escurrimiento del agua sobre el vertedero L: longitud de la solera del vertedero en m h: altura de la lámina vertiente sobre la cresta en m g: aceleración de la gravedad, en m/s2 Vo: velocidad de llegada de la corriente inmediatamente aguas arriba del vertedero, en m/s *Si el vertimiento fuera de lámina contraída, se debe hacer una corrección, sustrayendo0.1 h del valor de L por cada contracción. Cuando la velocidad de aproximación es baja se puede simplificar la ecuación de la siguiente forma:
3
𝑄 = 𝐶𝑑 ∗ 𝐿 ∗ 𝐻 2 El valor de puede definirse en función de los valores de yh, siendo la altura del vertedero en m, mediante la siguiente tabla
VERTEDERO TRIANGULAR
Cuando los caudales son pequeños (menos de 6 litros por segundo), es conveniente aforar usando vertederos en forma de V debido a que, como la presión varía con la altura, se produce un gran gradiente de velocidad entre la parte inferior del triángulo y la superior. Produciéndose una variación en la lectura de la carga hidráulica H más representativa.
Sistema MKS: sistema de unidades que toma su nombre de las unidades que adopta como básicas: el metro, el kilogramo y el segundo como unidades de longitud, masa y tiempo respectivamente.
VERTEDERO TRAPEZOIDAL Este vertedero ha sido diseñado con el fin de disminuir el efecto de las contracciones que se presentan en un vertedero rectangular contraído.
Cd1: Coeficiente de descarga para el vertedero rectangular con contracciones. Cd2: Coeficiente de descarga para el vertedero triangular. L: Longitud de la cresta. ꝋ: ángulo de inclinación de los lados respecto a la vertical. m: inclinación lateral. La ecuación se transforma en:
Cuando la inclinación de los taludes laterales es de 4V:1H, el vertedero recibe el nombre de Cipolleti en honor a su inventor. La geometría de este vertedero ha sido obtenida de manera que las ampliaciones laterales compensen el caudal disminuido por las contracciones de un vertedero rectangular con iguales longitud de cresta y carga de agua. Sotelo afirma que el término entre paréntesis de la ecuación es de 0.63 lo que conduce a la siguiente ecuación, e0n sistema M.K.S: 3
𝑄 = 1.861 ∗ 𝐻 2 Esta ecuación es válida si :
VERTEDOR CIRCULAR
H: carga hidráulica o altura de carga, expresada en decímetros. D: diámetro [dm]. Q: caudal [l/s]. ᶲ: depende de la relación H/D dada por la siguiente tabla. Esta ecuación es válida si:
La ecuación típica, planteada por Azevedo y Acosta es:
CLASIFICACIÓN SEGÚN LA PARED DE VERTIDO VERTEDERO DE PARED DELGADA Se llama vertedero a la estructura hidráulica sobre la cual se efectúa una descarga a superficie libre. El vertedero puede tener diversas formas según las finalidades a las que se destine. Si la descarga se efectúa sobre una placa con perfil de cualquier forma, pero de arista aguda, el vertedero se llama de pared delgada; cuando la descarga se realiza sobre una superficie, el vertedero se denomina de pared gruesa. Ambos tipos pueden utilizarse como dispositivos de aforo en el laboratorio o en canales de pequeñas dimensiones. El vertedero de pared gruesa se emplea además como obra de control o de excedencias en una presa y como aforador en grandes canales. La utilización de vertederos de pared delgada está limitada generalmente a laboratorios, canales pequeños y corrientes que no lleven escombros y sedimentos. Los tipos más comunes son el vertedero rectangular y el triangular. La cara de aguas arriba debe ser instalada verticalmente y el borde de la placa debe estar cuidadosamente conformado. La estructura delgada está propensa a deteriorarse y con el tiempo la calibración puede ser afectada por la erosión de la cresta. Ecuación para un vertedero triangular de pared delgada fórmula de Francis: Siguiendo el mismo procedimiento anterior y despreciando el valor de v1/2g puesto que el canal de aproximación es siempre más ancho que el vertedero, se obtiene la descarga a través de 3
𝑄 = 1.84 𝐻 2 El funcionamiento de los vertederos de pared delgada puede variar según la forma de la vena o chorro aguas abajo de la estructura, en situaciones en que no toda la lámina esté en contacto con la presión atmosférica, modificándose la posición de la vena y alterándose el caudal. Es por ello que cuando el vertedero es usado para medición de caudales se debe evitar la situación anterior.
Esta influencia se puede presentar en vertederos sin contracción lateral que no dispongan de una adecuada aireación. En estas circunstancias la lámina líquida puede tomar una de las formas siguientes:
LÁMINA DEPRIMIDA: el aire es arrastrado por el agua, ocurriendo un vacío parcial aguas abajo de la estructura, que modifica la posición de la vena, el caudal es mayor al previsto teóricamente. LÁMINA ADHERENTE: ocurre cuando el aire sale totalmente. En esta situación el caudal también es mayor. LÁMINA AHOGADA: cuando el nivel de aguas abajo es superior al de la cresta P’>P. Los caudales disminuyen a medida que aumenta la sumersión. En esta situación el caudal se puede calcular, teniendo como base los valores relativos a la descarga de los vertederos libres aplicándoles un coeficiente de reducción estimado con datos del U. S. of Board Waterwa y presentada por Azevedo y Acosta.
VERTEDERO DE PARED ANCHA Los vertederos de pared ancha tienen menor capacidad de descarga para igual carga de agua que los vertederos de pared delgada y su uso más frecuente es como estructuras de control de nivel. La mínima distancia a la cual se debe instalar los medidores de la carga hidráulica H para que no esté afectada por la declinación de la lámina de agua es3.5H, como se observa en las iguiente figura.
Sotelo presenta la siguiente clasificación del funcionamiento de los vertederos, según la relación e/H: Cuando e/H es menor que 0.67 el chorro se separa de la cresta y el funcionamiento es idéntico al del vertedero de pared delgada. Cuando e/H es mayor a 0.67 el funcionamiento es diferente, pues la lámina vertiente se adhiere a la cresta del vertedero. Si la relación e/H es mayor que 10 se considera que el funcionamiento es en canal. La ecuación de patronamiento típica es:
VERTEDEROCON PERFIL CREAGER Llamados también cimacios, se usan para evacuar caudales de creciente, pues la forma especial de su cresta permite la máxima descarga al compararlo con otra forma de vertedores para igual altura de carga de agua. Este vertedero cuyo ancho de cresta, es igual al ancho del canal está diseñado de modo que coincida con la forma de perfil inferior de la lámina vertiente, sobre un vertedero de pared delgada hipotético. Para el caso de las pequeñas obras de excedencias, en nuestro medio, es frecuente utilizar vertederos de perfil tipo Creager.
Ecuación para un vertedero de perfil Creager: En estas obras hidráulicas de excedencias se aplica la ecuación general de vertedores 3
𝑄 = 𝐶𝐿𝐻 2 Donde Q es el gasto descargado en m³/s C=coeficiente de descarga del vertedor como si fuera de pared delgada L=ancho del vertido (m) H=carga aguas arriba (m).
Coeficiente de descarga para una relación de napa ideal. (Bureau Reclamation, 198 MATERIALES
Válvula de regulación a la entrada. Disipador de energía para disminuir la velocidad de aproximación en el caudal de acceso. Vertedor de pared delgada (Triangular). Tanque de aforo. Piezómetros. Mira mecánica de precisión.
PROCEDIMIETO VERTEDERO TRIANGULAR
Medimos las características geométricas de los vertedores como son: longitud de cresta, ancho del canal de aproximación, altura de la cresta respecto al piso. Poner a funcionar las bombas que abastecen al tanque de carga constante. Abrir la válvula de regulación hasta lograr que se estabilice el flujo en la instalación. Medir la carga sobre el vertedor con la mira mecánica y el tiempo del llenado del volumen prefijado en el tanque de aforo. Variar el gasto y repetir las indicaciones.
VERTEDOR CREAGER Sacar las propiedades geométricas del vertedero tipo Creager, como ser el ancho, altura de la cresta Generar un caudal para posteriormente medir las cargas hidráulicas Medir las lecturas del piezómetro aguas arriba del vertedor Repetir el procedimiento generando diferentes caudales
ANALISIS DE RESULTADO VERTEDERO TRIANGULAR Este tipo de vertedero es bastante eficiente, sin embargo, la variación más pequeña se debe a caudales medios y en la presente practica el caudal de 8.9 l/s corresponde a un coeficiente de descarga de 0.649 siendo este el más próximo al coeficiente de descarga teórico calculado igual a 0.593. No existe una relación lineal ni de ningún tipo entre Q vs C, pero esta grafica nos muestra los valores máximos y mínimos del coeficiente y más importante el coeficiente experimental medio de todos los datos observados. Se encontró satisfactoriamente la ecuación de calibración del vertedero triangular 𝑄 = 1.3316 ∗ 𝐻 2.3557 VERTEDERO DE PERFIL CREAGER Se ha podido demostrar que existe una relación directa entre el Q vs C en el cual al aumentar el caudal incrementa el coeficiente de descarga Se encontró satisfactoriamente la ecuación de calibración del vertedero tipo Creager. 𝑄 = 1.0024𝐻1.43
RELACION DE VARIABLES El aumento de velocidad en el vertedero viene acompañado con el incremento del coeficiente de descarga. En cuanto la carga hidráulica H sobre el vertedero sea mayor, el coeficiente de descarga será menor. Cuando el ángulo en el vértice es mayor vemos que el coeficiente de descarga disminuye Se observa que el caudal crece a medida que la carga hidráulica (H) aumenta, sin dejar de lado el efecto generado por el coeficiente de descarga.
CONCLUCIONES El vertedero triangular es preferido cunado las descargas son pequeñas, porque la sección transversal de la lámina vertiente muestra de manera notoria la variación en altura. Los métodos fueron desarrollados en hojas de cálculo para en un futuro utilizar en el ámbito profesional cuando se lo requiera ya que el objetivo de la practica fue ejecutada con éxito. Se recomienda que las mediciones de las cargas sean lo más exactas posibles ya que estos errores provocan un cambio brusco en los resultados.
BIBLIOGRAFIA o ESTUDIO TEÓRICO DEESTRUCTURAS HIDRÁULICAS – CARMEN FRUTOS CARAVACA Proyecto final de carrera o UNIVERSIDAD DE SONORA – DEPARTAMENTO DE ING. CIVIL Y MINAS Laboratorio de hidráulica o MANUAL DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE HIDRAULICA – U.A.J.M.S
