UNIVERSIDAD ANDINA “NÉSTOR CÁCERES VELÁSQUEZ” FACULTAD DE INGENIERÍAS Y CIENCIAS PURAS CARRERA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
TESIS: “SIMULACIÓN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO
COMO SOLUCIÓN A PROBLEMAS DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASÍAS.” PRESENTADO POR: Bach. : CESAR JUAN LLANQUE QUISPE PARA OPTAR EL TÍTULO PROFECIONAL DE
INGENIERO CIVIL JULIACA – PERU PERU 2 012
UNIVERSIDAD ANDINA “NÉSTOR CÁCERES CÁCERES VELÁSQUEZ” FACULTAD DE INGENIERÍAS Y CIENCIAS PURAS CARRERA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL Tesis Para Optar el Título Profesional de Ingeniero Civil
“SIMULACIÓN “SIMULACIÓN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIÓN A PROBLEMAS DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASÍAS.”
TESISTA: Bach. : CESAR JUAN LLANQUE QUISPE E-mail:
[email protected]
Juliaca - Perú 2012
UNIVERSIDAD ANDINA “NÉSTOR CÁCERES CÁCERES VELÁSQUEZ” FACULTAD DE INGENIERÍAS Y CIENCIAS PURAS CARRERA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL Tesis Para Optar el Título Profesional de Ingeniero Civil
“SIMULACIÓN “SIMULACIÓN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIÓN A PROBLEMAS DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASÍAS.”
TESISTA: Bach. : CESAR JUAN LLANQUE QUISPE E-mail:
[email protected]
Juliaca - Perú 2012
UNIVERSIDAD ANDINA NÉSTOR CÁCERES VELÁSQUEZ Facultad De Ingenierías Y Ciencias Puras
CARRERA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
T E S I S: “SIMULACIÓN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO
COMO SOLUCIÓN A PROBLEMAS DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASÍAS.” Presentado por el Bachiller:
CESAR JUAN LLANQUE QUISPE Para Optar El Título Profesional de:
INGENIER O C CIVIL APROBADO POR:
PRESIDENTE
:
___________________________________
Ing. Felipe S. Jara Vidalón Vega
PRIMER MIEMBRO
:
___________________________________
Mg. Ing. Alfredo Zegarra Butrón
SEGUNDO MIEMBRO
:
___________________________________
Mg. Ing. Ronald Madera Terán JULIACA – PERU PERU
2012
DEDICATORIA
Mi más grande y profundo agradecimiento al apoyo de mi mama y mis hermanos. Sus palabras y el valor que supieron transmitirme,
me
ayudaron
a
seguir
adelante,
sin
dejarme
retroceder en circunstancias en que mis propias fuerzas no fueron suficientes. Es a ellos, a quienes debo todo cuanto he conseguido en mi vida. Gracias por confiar en mí y darme la oportunidad de crecer.
A Dios, quien me dio la fe y la fortaleza necesaria para salir siempre adelante pese a las dificultades.
RESUMEN:
Se está llevando a cabo un proyecto de investigación en materia de aliviaderos tipo laberinto. Dentro de este proyecto se
propone
un
aliviaderos
método
de
para
tipo
el
teórico
cálculo
hidráulico
experimental
de
de
estos
formulación
sencilla y basada en los principales fenómenos que condicionan la
capacidad
hidráulica
de
estas
estructuras:
las
caras
diagonales del vertedero respecto de la dirección del flujo en la
alimentación
procedimiento proyecto
de
obstante,
va
y a
la ser
investigación el
contraste
procedimientos
existentes
modelaciones
físicas
interferencia mejorado
y
comentado, de y
sus
con
los
de
láminas.
El
dentro
del
validado, mediante
modelación.
resultados resultados
disponibles
ofrece
con de
No
otros algunas
resultados
esperanzadores.
ABSTRACT:
It is carrying out an investigation project on labyrinth spillways. As a part of this project, it is proposed a method for the hydraulic calculation of this type of spillways, which is based on the main facts, occurred: the diagonal faces of the weir referred to the direction of the flow upstream in the approximation and the nappe interference. The method is going to be improved and validated by means of modelling as a part of the investigation project. However, the comparison of its preliminary
results
with
other
methods
and
also
with
physical models available provides encouraging results.
some
Glosario
Embalse: Es el agua almacenada en el vaso de la presa. Avenida: crecida súbita y violenta de un curso de agua. Cresta: Borde superior del vertedero
Napa: Vena líquida que fluye a través del vertedero.
Napa
Libre:
Al
final
de
canal
que
fluye
a
través
del
vertedero.
Pared del Vertedero (P): Es la altura del vertedero.
Longitud del Vertedero (L): Es la longitud perpendicular del vertedero con respecto al flujo.
Carga sobre el Vertedero (H): Espesor del chorro medida entre la superficie libre aguas arriba del vertedero.
“SIMULACIÓN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIÓN A PROBLEMAS DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASÍAS.”
“SIMULACIÓN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIÓN A PROBLEMAS DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASÍAS.”
INDICE
LISTA DE FOTOGRAFIAS .......................................... 4 LISTA DE FIGURAS .............................................. 4 LISTA DE GRAFICOS ............................................. 6 LISTA DE CUADROS .............................................. 7 LISTA DE TABLAS ............................................... 7 CAPITULO I FoRMULACIóN DEL PROBLEMA ........................... 8 1.1.
INTRODUCCIÓN. ......................................... 8
1.1.1.
PROPÓSITOS Y ALCANCES DE LA INVESTIGACIÓN .......... 9
1.1.1.1.
PROPÓSITO ...................................... 9
1.1.1.2.
ALCANCES DE LA INVESTIGACIÓN ................... 9
1.1.2. 1.2.
ANTECEDENTES ...................................... 10
OBJETIVOS ............................................ 12
1.2.1.
OBJETIVOS GENERALES ............................... 12
1.2.2.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................. 12
1.3.
DETERMINACIÓN DE VARIABLES. .......................... 13
1.3.1.
VARIABLE INDEPENDIENTE ............................ 13
1.3.2.
VARIABLE DEPENDIENTE .............................. 13
1.4.
METODOLOGÍA DEL ESTUDIO .............................. 13
1.4.1.
Tipo De Trabajo De Investigación Científica ....... 13
CAPITULO II MARCO TEÓRICO Y CONCEPTUAL ....................... 14 2.1.
CONCEPTO DE FLUIDO ................................... 14
2.1.1.
CLASIFICACIÓN DE FLUIDOS .......................... 15
2.1.1.1.
GAS Y LÍQUIDO ................................. 15
2.1.1.2.
FLUIDOS NEWTONEANO Y NO NEWTONEANO ............ 16
2.1.1.3.
FLUIDOS IDEAL, VISCOSO Y REAL ................. 17
2.1.2.
PROPIEDADES FÍSICAS ............................... 18
2.1.2.1.
VISCOSIDAD .................................... 18
2.1.2.2.
ELASTICIDAD ................................... 20
2.1.2.3.
TENSIÓN SUPERFICIAL ( ) ........................ 22
2.1.3. 2.2.
LEYES QUE RIGEN EL MOVIMIENTO DE UN FLUIDO ........ 24
CONCEPTO DE FLUJOS ................................... 26
2.2.1.
TIPOS DE FLUJO .................................... 26
2.2.2.
FLUJOS EN CONDUCTOS CERRADOS Y ABIERTOS ........... 26
2.2.3.
FLUJO LAMINAR Y FLUJO TURBULENTO .................. 26
2.2.3.1.
FLUJO LAMINAR ................................. 26
2.2.3.2.
FLUJO TURBULENTO .............................. 29
2.2.4.
FLUJO CRÍTICO ..................................... 33
2.2.5.
FLUJO SUBCRÍTICO .................................. 34
2.2.6.
FLUJO SUPERCRÍTICO ................................ 35
Página 1
“SIMULACIÓN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIÓN A PROBLEMAS DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASÍAS.”
2.2.7.
FLUJO A RÉGIMEN PERMANENTE Y NO PERMANENTE ........ 36
2.2.8.
FLUJO UNIFORME Y FLUJO NO UNIFORME ................ 37
2.2.9.
FLUJO ROTACIONAL Y FLUJO IRROTACIONAL ............. 37
2.2.10. FLUJO UNIDIMENCIONAL, FLUJO BIDIMENSIONAL, FLUJO TRIDIMENSIONAL ............................................ 37 2.2.10.1.
FLUJO UNIDIMENCIONAL ......................... 37
2.2.10.2.
FLUJO BIDIMENSIONAL .......................... 38
2.2.10.3.
FLUJO TRIDIMENSIONAL ......................... 38
2.3.
CLASIFICACIÓN DE VERTEDORES DE DEMASÍAS .............. 39
2.3.1.
VERTEDORES DE CAÍDA LIBRE ......................... 39
2.3.2.
CORTINAS VERTEDORAS CON CAÍDA RÁPIDA .............. 41
2.3.3.
VERTEDORES CON TIRO VERTICAL ...................... 42
2.3.4.
VERTEDORES CON DESCARGA DIRECTA EN CANAL .......... 43
2.3.5.
VERTEDOR CON CANAL LATERAL ........................ 45
2.3.6.
VERTEDORES DE CIMACIO. ............................ 50
2.3.7.
VERTEDORES EN RAPIDA. ............................. 55
2.3.8.
VERTEDORES EN EMBUDO O BOCINA ..................... 57
2.3.9.
VERTEDORES DE TUNEL. .............................. 62
2.3.10.
VERTEDORES EN SIFÓN. ............................ 65
2.3.11.
VERTEDORES EN ABANICO. .......................... 69
2.4.
FORMULACIÓN TEÓRICA PARA EL DISEÑO DE VERTEDEROS ..... 74
2.4.1.
CONCEPTO DE VERTEDEROS Y SU CLASIFICACIÓN ......... 74
2.4.1.1.
CONCEPTO DE VERTEDERO ......................... 74
2.4.1.2.
FINALIDAD DE LOS VERTEDEROS ................... 75
2.4.1.3.
ELEMENTOS DE UN VERTEDERO ..................... 75
2.4.1.4.
CLASIFICACIÓN DE VERTEDEROS ................... 76
2.4.2.
DESARROLLO DE LA FÓRMULA TEÓRICA .................. 78
2.4.2.1.
LA ECUACIÓN DE BERNOULLI ...................... 78
2.4.2.2. CONSIDERANDO LA VELOCIDAD DE LLEGADA DESPRECIABLE. ........................................... 80 2.4.2.3.
CONSIDERANDO LA VELOCIDAD DE LLEGADA .......... 81
2.4.3. FÓRMULAS COMÚNMENTE UTILIZADAS PARA LA ESTIMACIÓN DE COEFICIENTES DE DESCARGA EN EL DISEÑO DE VERTEDEROS ....... 82 2.4.3.1.
FÓRMULA DE KINDSVATER Y CARTER ................ 83
2.4.3.2.
FÓRMULA DE REHBOCK ............................ 83
2.4.3.3.
FÓRMULA DE BAZIN CORREGIDA POR HEGLY .......... 84
2.4.3.4.
FÓRMULA DE FRANCIS ............................ 84
2.4.3.5.
FÓRMULA DE KING ............................... 85
2.4.3.6. FÓRMULA DE LA SOCIEDAD SUIZA DE INGENIERIOS Y ARQUITECTOS ............................................. 85 2.4.4. FÓRMULAS COMÚNMENTE UTILIZADAS PARA LA ESTIMACIÓN DE VERTEDERO TIPO LABERINTO .................................. 86 2.4.4.1.
FÓRMULA DE TULLÍS, AMANIAN Y WALDRON .......... 86
Página 2
“SIMULACIÓN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIÓN A PROBLEMAS DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASÍAS.”
CAPITULO III SIMULACIÓN EXPERIMENTAL ......................... 90 3.1.
ALCANCES Y PROCEDIMIENTOS ............................ 90
3.1.1.
ALCANCES .......................................... 90
3.1.2.
PROCEDIMIENTOS .................................... 90
3.1.2.1. En el canal de pendiente variable de la Universidad Néstor Cáceres Velásquez. ................... 90 3.2.
EQUIPAMIENTO EXPERIMENTAL ............................ 93
3.2.1.
MEMORIA DESCRIPTIVA ............................... 93
3.2.2.
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS ......................... 98
3.3. OBSERVACIONES DE LOS ENSAYOS EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO .................................................. 104 3.4.
DETERMINACIÓN DE LA LONGITUD DEL VERTEDERO .......... 105
3.5.
DETERMINACIÓN FORMA DE LA CRESTA Y ALTURA DEL VERTEDERO 105
3.6.
DETERMINACIÓN DEL ÁNGULO Y PARED DEL VERTEDERO ...... 106
3.7.
DETERMINACIÓN DEL CAUDAL ............................ 106
3.8.
DETERMINACIÓN DEL TIRANTE DEL VERTEDERO ............. 108
CAPITULO IV ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS ...................... 115 4.1.
COMPARACIÓN DE LOS RESULTADOS CON FÓRMULAS COMUNES .. 115
4.2.
FÓRMULAS DESARROLLADAS EN LA INVESTIGACIÓN .......... 135
4.2.1.
CASO CON VERTEDERO RECTANGULAR ................... 135
4.2.2. CASO CON DIFERENTES CICLOS DE VERTEDEROS TIPO LABERINTO ................................................ 135 4.3.
DISCUSIÓN ........................................... 138
CONCLUSIONES ................................................ 141 RECOMENDACIONES ............................................. 143 BIBLIOGRAFIA CONSULTADA ..................................... 144 ANEXO ....................................................... 145
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“SIMULACIÓN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIÓN A PROBLEMAS DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASÍAS.”
LISTA DE FOTOGRAFIAS Fotografía 01.- Canal de pendiente variable de la UANCV. Fotografía 02.- Tipo de vertedor de caída libre. Fotografía 03.- Partes que constituyen un vertedor en canal lateral. Fotografía 04.- Imagen donde se aprecia el proceso constructivo del canal lateral por parte de la CNA. Fotografía 05.- Ejemplo típico de un vertedor de canal lateral. Fotografía 06.- Vista superior de un vertedor en canal lateral. Fotografía 07.- Ejemplo de vertedor en cimacio. Fotografía 08.- Imagen de vertedor en embudo. Fotografía 09.- Imagen en donde se presentan 2 túneles que son empleados como conductos de descarga. Fotografía 10.- Imagen de un vertedor en abanico Fotografía 11.- Partes que constituyen un vertedor en abanico. Fotografía 12.- Vertedero rectangular. Fotografía 13.- Vertedero tipo laberinto de un ciclo. Fotografía 14.- Vertedero tipo laberinto de dos ciclo. Fotografía 15.- Vertedero tipo laberinto de tres ciclo. Fotografía 16.- Aforo Volumétrico con canaleta de desviación. Fotografía 17.- Tanque de Almacenamiento y bomba de impulsión. Fotografía 18.- Caudalímetro y válvula de regulación de caudal. Fotografía 19.- Canal de Prueba y control de mandos. Fotografía 20.- Acabado o terminado del vertedero tipo laberinto
LISTA DE FIGURAS Figura 01.- Esfuerzo Cortante Figura 02.- Fluidos gas y liquido Figura 03.- Fluidos Newtoneanos y no Newtoneanos Figura 04.- Fluidos Ideal Figura 05.- Fluidos Viscoso Figura 06.- Fluidos Real Figura 07.- Fluido altamente viscoso Figura 08.- Tensión Superficial Figura 09.- Ley de conservación de masa Figura 10.- Ley de conservación de momentum Figura 11.- Flujo Cerrados y Abiertos
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“SIMULACIÓN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIÓN A PROBLEMAS DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASÍAS.”
Figura 12.- Flujo Laminar Tuberías Figura 13.- Flujo Laminar Canales Figura 14.- Flujo Turbulento Tuberías Figura 15.- Flujo Turbulento Canales Figura 16.- Conducto Hidráulicamente Liso Figura 17.- Conducto Hidráulicamente Rugoso Figura 18.- Flujo crítico Figura 19.- Flujo Subcrítico Figura 20.- Flujo Subcrítico y Flujo Supercrítico río arriba Figura 21.- Flujo Supercrítico Figura 22.- Flujo bidimensional Figura 23.- Flujo tridimensional Figura 24.- Vertedor de caída libre. (Visto en planta) Figura 25.- Cortinas vertedoras con caída rápida Figura 26.- Vertedores con descarga directa en canal Figura 27.- Presa Venustiano Carranza Coahuila Figura 28.- Vertedor de cimacio en donde se recomienda que la sumergencia no exceda del 30% sobre la carga del vertedor para considerar un coeficiente. Figura 29.- Vertida libre sobre el cimacio. Figura 30.- Coeficiente de gasto en Cimacios de Par amento aguas arriba vertical, vertiendo con la carga de diseño. Figura 31.- Coeficiente de gasto en Cimacios de par amento aguas arriba vertical, vertiendo con cargas diferentes a las de diseño. Figura 32.- corte por el eje de la estructura de servicio en una presa. Figura 33.- Ejemplo de vertedor con caída en rápida sobre una presa de gravedad. CNA, 1999. Figura 34.- Esquema donde se presentan las partes que constituyen al vertedor de Embudo Figura 35.- Funcionamiento del vertedor de embudo o bocina Figura 36.- Características de circulación y descarga de un vertedero en embudo o bocina Figura 37.- Relación entre el coeficiente de una cresta circular C o y
H o R s
para diferentes
tirantes de llegada (lámina ventilada) Figura 38.- Vertedor en túnel Figura 39.- Esquema de vertedor en sifón con descarga libre. Figura 40.- Esquema de vertedor en sifón Figura 41.- Esquema de vertedor en sifón con salida de sumergencia. Figura 42.- Ejemplo de vertedor de sifón Figura 43.- Geometría del vertedero de abanico. (Planta del vertedero)
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“SIMULACIÓN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIÓN A PROBLEMAS DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASÍAS.”
Figura 44.- Parámetros para el diseño de vertedero en abanico Figura 45.- Ábaco propuesto por Magalhaes y Lorena (1989). Figura 46.- Curvas de proyecto para vertederos tipo laberinto triangulares.(Hay and Taylor, 1970) Figura 47.- Grafico de corrección de caudal Figura 48.- Dirección del flujo en el canal Figura 49.- Longitudes del vertedero Figura 50.- Forma de la cresta y altura del vertedero Figura 51.- Angulo y pared del vertedero tipo laberinto Figura 52.- Ábaco Propuesto Figura 53.- Interferencias de flujos
LISTA DE GRAFICOS Grafico 1.- Comparación De Errores Y Formula Original Del Vertedero Tipo Laberinto De Un Ciclo Medición 1 Grafico 2.- Comparación De Errores Y Formula Original Del Vertedero Tipo Laberinto De Un Ciclo Medición 2 Grafico 3.- Comparación De Errores Y Formula Original Del Vertedero Tipo Laberinto De Un Ciclo Medición 3 Grafico 4.- Comparación De Errores Y Formula Original Del Vertedero Tipo Laberinto De Dos Ciclo Medición 1 Grafico 5.- Comparación De Errores Y Formula Original Del Vertedero Tipo Laberinto De Dos Ciclo Medición 2 Grafico 6.- Comparación De Errores Y Formula Original Del Vertedero Tipo Laberinto De Dos Ciclo Medición 3 Grafico 7.- Comparación De Errores Y Formula Original Del Vertedero Tipo Laberinto De Tres Ciclo Medición 1 Grafico 8.- Comparación De Errores Y Formula Original Del Vertedero Tipo Laberinto De Tres Ciclo Medición 2 Grafico 9.- Comparación De Errores Y Formula Original Del Vertedero Tipo Laberinto De Tres Ciclo Medición 3 Grafico 10.- Comparación De Errores Y Formula Corregida Del Vertedero Tipo Laberinto De Un Ciclo Medición 1 Grafico 11.- Comparación De Errores Y Formula Corregida Del Vertedero Tipo Laberinto De Un Ciclo Medición 2 Grafico 12.- Comparación De Errores Y Formula Corregida Del Vertedero Tipo Laberinto De Un Ciclo Medición 3
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“SIMULACIÓN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIÓN A PROBLEMAS DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASÍAS.”
Grafico 13.- Comparación De Errores Y Formula Corregida Del Vertedero Tipo Laberinto De Dos Ciclo Medición 1 Grafico 14.- Comparación De Errores Y Formula Corregida Del Vertedero Tipo Laberinto De Dos Ciclo Medición 2 Grafico 15.- Comparación De Errores Y Formula Corregida Del Vertedero Tipo Laberinto De Dos Ciclo Medición 3 Grafico 16.- Comparación De Errores Y Formula Corregida Del Vertedero Tipo Laberinto De Tres Ciclo Medición 1 Grafico 17.- Comparación De Errores Y Formula Corregida Del Vertedero Tipo Laberinto De Tres Ciclo Medición 2 Grafico 18.- Comparación De Errores Y Formula Corregida Del Vertedero Tipo Laberinto De Tres Ciclo Medición 3 Grafico 19.- Valuación De Error Obtenidos En Los Resultados De Las Mediciones Del Vertedero Tipo Laberinto Formula Original De Tullis Amanian Grafico 20.- Valuación De Error Obtenidos En Los Resultados De Las Mediciones Del Vertedero Tipo Laberinto Formula Corregida o Propuesto De Tullis Amanian Grafico 21.- Valuación De Eficiencia Obtenidos Del Vertedero Tipo Laberinto Un Ciclo Grafico 22.- Valuación De Eficiencia Obtenidos Del Vertedero Tipo Laberinto Dos Ciclos Grafico 23.- Valuación De Eficiencia Obtenidos Del Vertedero Tipo Laberinto Tres Ciclos
LISTA DE CUADROS Cuadro 01.- Mediciones de caudal lecturado y corregido con vertedero rectangular Cuadro 02.- Mediciones del tirante del vertedero rectangular Cuadro 03.- Mediciones del tirante del vertedero tipo laberinto un ciclo Cuadro 04.- Mediciones del tirante del vertedero tipo laberinto dos ciclo Cuadro 05.- Mediciones del tirante del vertedero tipo laberinto tres ciclo Cuadro 06.- Fórmula original de Tullis, Amanian y w. Prueba un ciclo Cuadro 07.- Fórmula original de Tullis, Amanian y w. Prueba dos ciclo Cuadro 08.- Fórmula original de Tullis, Amanian y w. Prueba tres ciclo Cuadro 09.- Comparación con fórmula de kindsvater y carter Cuadro 10.- Comparación un ciclo Formula Corregida de Tullis Amanian Cuadro 11.- Comparación dos ciclo Formula Corregida de Tullis Amanian Cuadro 12.- Comparación tres ciclo Formula Corregida de Tullis Amanian
LISTA DE TABLAS Tabla 01.- Valores de los coeficientes para el cálculo del Cd en función del ángulo α. (Tullis, Amanian y Waldrom) Tabla 2.- valores de coeficientes para el cálculo del Cd en función del ángulo, propuesto
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