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USS MECANICA FLUIDOS II: PERDIDAS DE CARGAS LOCALES

FACULTAD DE INGENIERIA, ARQUITECTURA Y URBANISMO ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

MECANICA DE FLUIDOS II

VERTEDERO TRIANGULAR CICLO V BETANCOURT LOPEZ JANETH ESTEFANY CASTILLO RODRIGUEZ VANIA JULISSA ASESOR ING. ZELADA ZAMORA, WILMER MOISES Entrega de informe: Viernes 17 de JUNIO 2016

PIMENTEL-PERU

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MECANICA DE FLUIDOS II: VERTEDEROS TRIANGULARES

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INFORME DE LABORATORIO N° 005 DE MECÁNICA DE FLUIDOS II VERTEDERO TRIANGULAR 1. INTRODUCCIÓN Muchas veces nos encontramos con estructuras que dependen mucho del flujo de un fluido y calcular el caudal y regular este, es un proceso que requiere de un análisis riguroso y cuidadoso el cual no se tiene que pasar por alto ya que conllevaría al colapso de la estructura, en este informe se da a conocer uno de los muchos métodos prácticos utilizados con más frecuencia en el campo de la hidráulica que hace mención a Vertederos de escotadura Triangular V. Los vertederos son estructuras que tienen una 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. Ya sea como estructura de control de aprovechamientos hidráulicos o bien como estructura para medición cresta siendo necesario únicamente medir una variable que es el tirante sobre dicha cresta. De caudales en obras de saneamiento, su aplicación es muy difundida y una de las razones es porque permiten tener un adecuado control del caudal.

2. DESCRIPCION DEL EQUIPO 2.1 Descripción del equipo 

Aplicar las ecuaciones de conservación de la masa y cantidad de movimiento para calcular la fuerza de impacto de un chorro sobre una placa fija. Este módulo consta de distintos elementos que se emplean en combinación con el Banco Hidráulico (FME00):     

Una boquilla especial que se acopla a la boquilla de salida del Banco Hidráulico (FME00). Dos pantallas tranquilizadoras que, junto con el elemento anterior, proporcionan una corriente lenta en el canal. Un medidor de nivel consistente en un “nonius”, que se a justa en un mástil, donde las alturas quedan señaladas en un calibre acoplado a éste. Un pequeño garfio o una punta se acopla a la base inferior del mástil para realizar las medidas. Dos vertederos de escotadura rectangular y en forma de “V”, que se montan en un soporte y se fijan a la parte final del canal del Banco Hidráulico (FME00).

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Imagen 1: Equipo FME 02 para el estudio de Flujo en Vertederos

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2.2 Posibilidades del ensayo 



Estudio de las características de flujo a través de un vertedero de escotadura rectangular, practicado en una pared delgada. Estudio de las características del flujo a través de un vertedero con escotadura en forma de “V”, practicado en una pared delgada.

2.3 Especificaciones    

Dimensiones de los vertederos: 230 x 4 x 160 mm. Ángulo de la escotadura en “V”: 90°. Dimensión de la muesca rectangular: 30 x 82 mm. Escala del medidor de nivel: de 0 a 160 mm.

2.4 Dimensiones y peso  

Dimensiones: 400 x 160 x 600 mm. aprox. Peso: 7 Kg. aprox.

2.5 Servicios Requeridos   

Banco hidráulico (FME00) – EDIBON Probeta Cronometro (no suministrado con el equipo).

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3. MARCO TEORICO 3.1 vertederos El vertedero es una estructura hidráulica destinada a permitir el pase, libre o controlado, del agua en los escurrimientos superficiales. Cuando el borde superior del orificio por donde se vacía un depósito no existe, o en caso de existir, está por encima del nivel del líquido, se dice que el desagüe tiene lugar por Vertedero. Los vertederos son utilizados, intensiva y satisfactoriamente, en la medición del caudal de pequeños cursos de agua y conductos libres, así como en el control del flujo en galerías y canales.

3.2 Clasificación de vertederos Aceptando las más variadas formas y disposiciones, los vertederos presentan los más diversos comportamientos, siendo muchos los factores que pueden servir de base para su clasificación, entre estos el principal es por su forma y son:

3.2.1 Vertederos Rectangulares Para este tipo de vertederos se recomienda que la cresta del vertedero sea perfectamente horizontal, con un espesor no mayor a 2 mm en bisel y la altura desde el fondo del canal 0.30 m y w = 2h.

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Las figuras anteriores nos muestran un vertedero rectangular y su vista frontal, éste vertedero es fácil de construir y por lo tanto uno de los más usados.

3.2.1 Vertederos Triangulares Hacen posible una mayor precisión en la medida de carga correspondiente a caudales reducidos. Estos vertedores generalmente son construidos en placas metálicas en la práctica, solamente son empleados los que tienen forma isósceles, siendo más usuales los de 90º.

Las figuras anteriores muestran un vertedero triangular y su sección transversal; la escotadura de este tipo de vertedero es de forma triangular. El ángulo que forman sus paredes puede ser de 60 a 90 grados. El vertedero triangular es el más preciso para medir caudales pequeños.

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3.3 Diferencias de los dos tipos de vertederos 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.

El vertedero triangular es preferido cuando las descargas son pequeñas, porque la sección transversal de la lámina vertiente muestra de manera notoria la variación en altura. La relación entre la descarga y la altura sobre la cresta del vertedero, puede obtenerse matemáticamente haciendo las siguientes suposiciones del comportamiento del flujo:

1. Aguas arriba del vertedero el flujo es uniforme y la presión varía con la profundidad de acuerdo con la hidrostática (p=ρgh).

2. La superficie libre permanece horizontal hasta el plano del vertedero y todas las partículas que pasan sobre el vertedero se mueven horizontalmente (en realidad la superficie libre cae cuando se aproxima al vertedero).

3. La presión a través de la lámina de líquido o napa que pasa sobre la cresta del vertedero es la atmosférica.

4. Los efectos de la viscosidad y de la tensión superficial son despreciables.

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3.4 Ecuación para un vertedero triangular con pared Delgada Siguiendo el mismo procedimiento anterior y despreciando el valor de v2/2g puesto que el canal de aproximación es siempre más ancho que el vertedero, se obtiene la descarga a través de:

Dónde:

  ∅  =  √ ()

: Coeficiente de gasto o coeficiente de descarga

∅: es el semiángulo del vértice de la escotadura 

h: Altura de carga o altura de la lámina de agua sobre la cresta o umbral del vertedero.

CONDICIONES DE FLUJO ADOPTADAS PARA LA FÓRMULA DE POLENI-WEISBACH Considerando la Ecuación de la Energía, a lo largo de una línea de flujo se presenta un incremento de la velocidad y correspondientemente una caída del nivel de agua. En el coronamiento del vertedero queda el límite superior del chorro líquido, por debajo del espejo de agua, con una sección de flujo menor al asumido por Poleni-Weisbach.

3.5 Coeficiente de gasto o descarga Los valores límites aproximados del coeficiente de descarga, resultan de la hipótesis de presencia del tirante crítico sobre el coronamiento del vertedero y de las velocidades aguas arriba y aguas abajo definidas por la ecuación de Torricelli. Consideremos el siguiente esquema:

CORONAMIENTO O CRESTA DE

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Para obras de gran magnitud es usual realizar estudios sobre modelos hidráulicos, para determinar el valor del coeficiente de descarga, sin embargo para el diseño de pequeñas obras se contará únicamente con la referencia bibliográfica y la experiencia del proyectista.

3.6 Funciones de un Vertedero 

Garantizar la seguridad de la estructura hidráulica, al no permitir la elevación del nivel, aguas arriba, por encima del nivel máximo.



Garantizar un nivel con poca variación en un canal de riego, aguas arriba. Este tipo de vertedero se llama "pico de pato" por su forma



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.

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4. PRACTICA DE LABORATORIO 4.1Práctica Nº 1: Estudio de flujos a través del vertedero triangular. 4.1.1 Objetivo:



Realizar la calibración del vertedero de cresta delgada: de forma triangular.



Estimar el coeficiente de descarga.



Reconocer los vertederos de cresta delgada como herramientas de medición de caudales para flujos sobre canales abiertos.

4.1.2 Procedimiento: o o

o o o o

o

o

o

o

Montar el equipo (pantalla, embocadura y placa vertedero). Emplazar el soporte portador del nonius en la distancia que separa el vertedero de la pantalla. Suministrar agua al canal hasta que ésta descargue por el vertedero. Cerrar la válvula de control de suministro y parar la bomba. Dejar que el nivel del agua en el canal se estabilice. Tras establecer con precisión un mínimo contacto entre la punta de la lanceta, o del punto de tangencia del garfio, y la superficie libre del agua, proceder a ajustar e inmovilizar el "nonius" del calibre a cero. Suministrar agua al canal ajustando la válvula de control del caudal para ir obteniendo, sucesivamente, incrementos escalonados de la altura de carga h. En cada variación escalonada del caudal, y una vez que se hallan estabilizado las condiciones del régimen, medir y anotar el valor de la altura de carga h así como del caudal utilizando las escalas del tanque volumétrico y el cronómetro. Se establece un volumen determinado y se cronometra en el tiempo que tarda en llenar. Se toma los valores 5 valores de caudal con la lanceta y otros 5 con el garfio.

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5.

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RESULTADOS e INTERPRETACION

5.1. Medición de Caudales Reales

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 =  √ 2ℎ⁄   (Caudal teórico)  =   15 =  8√ 2ℎ⁄  2 Calculamos



 =     =  √ 2  

 =  ℎ o

 

Donde el valor de C es: 1.7496; de acuerdo a los datos obtenidos del laboratorio y teniendo en cuenta la ecuación del gasto teórico.

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A continuación se tratara de validar la ecuación del gasto en función a la altura, partiendo de la medición de estas:

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∝

A partir de la curva anterior se procederá a encontrar los coeficientes “C” y “ ”; y se planteara la ecuación del gasto en función de la altura de un vertedero triangular de 90°

 =  ℎ ∝

,

DONDE: “h” = Es la altura y “Q ” = es el Caudal Lo que se aprecia en el grafico anterior es la altura en función al caudal; es decir “h” en función de “Q ” Lo que se necesita es encontrar el caudal en función a la altura; Por lo tanto de efectuar la operación para encontrar “Q ” en función de “h”; realizando las operaciones y despejando queda lo siguiente:

 = 81.555 ℎ .33 (mm3/s) 15


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 = 1.07 ℎ .33 (m3/s) Dónde:

 = 81.555 ó 1.07 .  ∝ = 2.40 =  ≅  La ecuación experimental para encontrar el gasto en función de la altura para un vertedero triangular de 90° es:

 = 81.555 ℎ  = 1.07 ℎ

  (mm3/s)   (m3/s)

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6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 6.1 CONCLUSIONES

Se demostró la ecuación para calcular el gasto en un vertedero triangular de 90° a partir de la altura; apreciándose que la formula experimental obtenida en el laboratorio es muy similar a la ecuación ya planteada que se usa para el estudio de flujo en vertederos triangulares de 90°.



Ecuación experimental obtenida:

.  = 1.1 ℎ  

Ecuación para el estudio de flujo en vertederos triangulares de 90°:

 = 1.40 ℎ 

 

Para un estudio más minucioso es recomendable tener herramientitas más exactas para medir flujos de agua, a la vez que se han de realizar muchas pruebas para asegurar que la ecuación que se obtendrá experimentalmente sea lo cercana posible a la ecuación de estudio.

6.2 RECOMENDACIONES 



Comprobar que el nivel del agua este sobre la línea para que esta pueda ejercer la presión mínima de actuación de la bomba y así evitar cavitación en esta. Cerrar totalmente las válvulas del sistema

7. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 7.1. Mecánica de fluidos, Merle C. Potter, David C. Wiggert. 7.2. Manual de la mesa hidrodinámica. Modelo HM 112 Marca Gunt Hamburg. 7.3. LIBRO-Hidráulica De Tuberías Y Canales - Arturo Rocha.

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