Flow Master

ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS – 2015954 Grupo 02 – Martes y Jueves de 2 a 4 PM Prof. Leonardo David Donado Garzón

FLOWMASTER Flowmaster es un programa de fácil uso, que ayuda a los ingenieros civiles con los diseños hidráulicos y los análisis de tuberías, cunetas, entradas, sumideros, desagües, canales abiertos, vertederos y orificios. Flowmaster calcula los caudales y las presiones en conductos y canales usando las ecuaciones de perdidas de carga como la de Darcy-Weisbach, Manning, Kutter y Hazen-Williams. Las flexibilidades del programa permiten que el usuario elija una variable desconocida y automáticamente calcula la solución después de definir los parámetros conocidos. Flowmaster también calcula tablas de calibración y grafica curvas y secciones transversales. Usted también puede ver el resultado en pantalla, esto se puede copiar en el portapapeles de Windows, guardo en un archivo, o imprimir esto en cualquier impresora estándar. Los datos de Flowmaster también pueden ser vistos y editados usando reportes tabulados llamado FlexTables. Flowmaster permite que usted cree un ilimitado número de hojas de cálculo para analizar tuberías de presión uniforme o canales abiertos, incluyendo secciones irregulares (tales como arroyos naturales o secciones de formas extrañas que el hombre ha hecho).Flowmaster no trabaja con sistemas de redes, tales como redes de alcantarillado o redes de tuberías. Para este tipo de análisis se pueden pueden utilizar StormCAD, WaterCAD WaterCAD o SewerCAD. Flowmaster sustituye otras soluciones tales como nomogramas, hojas de calculo y programas BASIC. Porque Flowmaster da resultados inmediatos, usted puede generar rápidamente salidas para un gran número de soluciones, por ejemplo se puede utilizar flowmaster para: Analizar varios diseños Hidráulicos Evaluar diferentes tipos de flujo elementales elementales Generar reportes de enfoques profesionales para clientes y agencias de revisión (consulta) •

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Tutorial

A continuación se presenta la solución de un problema dado, con instrucciones paso por paso de cómo resolver un ejemplo de un problema utilizando el software FlowMaster. Problema

Usando la ecuación de Manning, diseñe un canal triangular en concreto, con pendientes iguales en los lados, con una pendiente longitudinal de 5%, con una capacidad de flujo pico de 0.6 m3/s, y una profundidad máxima de 0.3 m. También diseñe un canal trapezoidal en concreto con pendientes iguales en los lados y con una base de ancho de 2 m que cumpla con los mismos criterios especificados del canal triangular en concreto. Crear la sección transversal de cada canal y la curva de Caudal versus profundidad de cada canal. Solución

Abriendo FlowMaster, de click Create new Project en el cuadro de dialogo Welcome To FlowMaster. Abra el panel de exploración del proyecto con un archivo llamado Untitled1.fm8. click derecho en el archivo y seleccione Save As. Navegue en la carpeta que desee. Ingrese el nombre del archivo y de click en Save. En el menú Tools, seleccione Options, y escoja FlexUnits. Ponga el Default Unit System For New Project y de SI. También, click en Reset Defaults-SI. Click OK. Desde el menú File, seleccione New, luego WorkSheet. En la columna de la izquierda del dialogo Create New WorkSheet  seleccione Open Channels. Luego, seleccione Triangular Channel desde el lado derecho y de click en OK. La ventana de la tabla de cálculo para una sección triangular puede aparecer con la etiqueta Uniform Flow. Seleccione Equal Side Slopes desde la lista de Solve for y Manning’s Formula desde la lista Friction Method. Para el coeficiente de fricción de click en el botón de puntos suspensivos (…) seguido del campo para el dato. Desde Material Library  seleccione Concrete y click en OK. Ingrese 0.05 m/m como el Channel Slop  (Pendiente del canal), 0.3 como Normal Depth (Profundidad Normal) y 0.6 como Discharge  (Caudal). [Nota: usted puede cambiar las unidades de cualquier parámetro con la herramienta FlexUnits  se accede desde el menú Tools seleccionando Options, o haciendo click derecho en la unidad directamente dentro de la tabla de cálculo]. La pendiente es igual en los lados, por eso en los campos de las pendientes estará 1.54 H:V. Nótese que estos campos tienen fondo amarillo, indicando que estos son los campos calculados. Para diseñar una sección trapezoidal seleccione New desde el menú File, luego Worksheet. En la columna de la izquierda del diálogo Create New Worksheet  seleccione Open Channels. Luego, seleccione Trapezoidal Channel desde el lado derecho y click en OK. Seleccione Equal Side Slopes desde la lista Solve For y Manning’s Formula desde la lista de Friction Method. Para el Roughness Coefficient (coeficiente de Fricción) click en el botón de puntos suspensivos después del campo del dato. Desde Material Library , seleccione Concrete y click en OK. Ingrese la pendiente del canal, la profundidad normal, el ancho inferior, y el caudal dentro de los campos apropiados. La pendiente de los lados puede ser 0.8 H:V.

Crear la sección transversal del canal

Si la tabla de cálculo de la sección transversal está cerrada ábrala con doble click en el panel Project Explorer. Click en el botón de Cross Section. Ingrese un Report Title y click en OK. La sección tranversal triangular es mostrada en pantalla. Para obtener una copia impresa de click en Print Preview, y luego Print. Ingrese su información para imprimir en la ventana Print Dialog y click en OK. Cierre las ventanas Print Preview y Cross Section. La sección transversal de un canal trapezoidal se obtiene de una manera similar. La figura 1-11 da una representación grafica de los diseños de un canal trapezoidal y un canal triangular. Haga click en Print si desea imprimir una copia de la sección transversal. Haga click en Close para cerrar el reporte. Finalmente, haga click en Close para salir de la hoja de cálculo de la sección trasversal. El dibujo de la sección transversal trapezoidal esta creada en la misma dirección de la hoja de cálculo.

Figura 1: Diseño de los canales trapezoidal y triangular.

Crear las curvas Caudal vs . Profundidad

Si la hoja de cálculo de la sección triangular está cerrada ábrala con doble click en el panel de Project Explorer. Porque el caudal necesita estar en el eje y   (la ordenada) de la grafica. Si necesita cambiar Equal Side Slopes (pendiente de los lados) en el Solve For: campo de Discharge (Caudal). Haga click en el botón Rating Curve, en la caja de dialogo Rating Curve Setup,

seleccione Discharge desde el menú desplegable Plot. Seleccione Normal Depth desde la lista Vs. La escala correcta de la gráfica, toma la mínima profundidad en 0.0m y la máxima en 0.3m. Elija un incremento de acuerdo a la discretización que desee obtener para hacer la curva. Un incremento de 0.1 le dará 3 puntos en la gráfica; un incremento de 0.01 le dará 30 puntos en la gráfica, etc. Click en OK para ver la gráfica. Click en Print Preview que está en la parte superior de la ventana, ingrese el nombre de la grafica, y luego Click en Print para imprimir el informe con la curva de calibración que usted ha creado. Click en Close  para salir de la ventana de Print Preview. Nuevamente click en Close para salir de Plot Window. Realice el mismo procedimiento para una sección trapezoidal. Use la herramienta The Chart Options que está dentro de la caja de dialogo Rating Curve para personalizar su gráfico. Sus graficas se deben parecer a las figuras 2 y 3.

Figura 2: Comparación del caudal Vs la profundidad para el diseño de un canal trapezoidal.

Figura 3: Comparación del caudal Vs la profundidad para el diseño de un canal triangular.

Problemas

Solucione los siguientes problemas usando el programa FlowMaster a menos que se indique lo contrario, asuma que el agua esta a una temperatura de 20°C. Se debe entregar el archivo o los archivos de Flowmaster y un documento donde se expongan

las soluciones de los problemas. (se debe hacer el procedimiento manual y compararlo con las obtenidas en Flowmaster) 1. La sección transversal canal rectangular rugoso de concreto, (k=0.2x10-2ft), de medidas 6x6ft. La pendiente del canal es 0.02ft/ft; usando la ecuación de perdidas de Darcy Weishbach. Determine el máximo caudal admisible por el canal para mantener 1ft de borde libre (borde libre es la distancia vertical desde la superficie del agua hasta el nivel del desborde del canal). Para estas condiciones encuentre las siguientes características (Es posible que FlowMaster no le de los resultados directos de todo esto). a) Área de flujo b) Perímetro mojado c) Radio hidráulico d) Velocidad e) Número de Froude 2. Una tubería circular de concreto (n=0.013) con 450mm de diámetro construido con una pendiente de 6%, lleva 0.1 m3/s. Usando la ecuación de Manning y la teoría de la profundidad normal, ¿Cuál es la profundidad y la velocidad del flujo? ¿Cuál sería la velocidad y la profundidad si la tubería estuviera construida de metal corrugado (n=0.024) en lugar de concreto? 3. Un canal trapezoidal lleva 2.55 m3/s, y una profundidad de 0.52m. El canal tiene un ancho inferior de 5m, una pendiente de 1% y 2H: 1V pendiente de los lados. ¿Cuál es el coeficiente de fricción de Manning apropiado? ¿Cuál sería la profundidad del agua si el canal llevara 5 m3/s? 4. Usando la ecuación de Manning analice un canal triangular en mampostería (n=0.015) con una pendiente en cada lado de 3H: 1V y una pendiente longitudinal de 0.05. El canal está destinado a llevar 7cfs durante una tormenta. Si la máxima profundidad del canal es 6 pulgadas, ¿este diseño es aceptable? ¿Qué pasaría si el canal fuera reemplazado por un canal de concreto (n=0.013) con la misma geometría? 5. Un fabricante de tuberías reportó que él puede lograr un coeficiente de Manning (n) con un valor de 0.011 para tubería de concreto, el cual es menor que 0.013 reportado por sus competidores. Usando la ecuación de Kutter determine la diferencia en un flujo por una tubería circular de 310mm de diámetro, con una pendiente de 2.5%, y cuando esta fluyendo a la mitad de la profundidad. 6. El drenaje de un humedal es trapezoidal, con un ancho inferior de 6ft y con pendiente en los lados de 2H:1V, usando el método de fricción que le parezca mas apropiado responda las siguientes preguntas. ¿Cuál es caudal en el drenaje si la profundidad del flujo es 1ft y la pendiente es 0.005ft/ft? ¿Cuál sería el caudal con una pendiente de 0.010ft/ft?

7. Un canal de drenaje de una autopista que esta pavimentado tiene una geometría como se muestra en la figura. La máxima profundidad de flujo permitida es de 0.75 ft (para prevenir que el flujo interfiera en el tráfico). El n de Manning es 0.018 para el tipo de pavimento usado.

Figura para el problema 7

¿Cuál es la capacidad del canal con una pendiente longitudinal del 2%? Realice una curva de calibración que muestre como varia la capacidad del canal cuando la pendiente del canal varía de 0.5% a 5%. Elija el incremento que le genere una buena curva. 8. Usando las ecuaciones de Hazen-Williams, determine el mínimo diámetro requerido para una nueva tubería de hierro fundido (c=130) con las siguientes condiciones: el tramo de inicio aguas arriba es 51.8 m mas alto que el tramo de aguas abajo, que esta a 2.25 km de distancia. La presión aguas arriba es 500 kPa, se desea una presión aguas abajo y un caudal de 420 kPa y 11.000 l/min respectivamente. ¿Cuál es el diámetro mínimo que se necesita? Asuma que las tuberías pueden tener un incremento de 50 mm de diámetro. 9. 2000 galones de agua por minuto fluyen, 320 Yardas de longitud, 8 pulgadas de diámetro en una tubería de hierro fundido (c=130, k=2.5908e-4 m) para una gran zona industrial. Si la presión aguas arriba es de 64 psi ¿Cuál será la presión para la industria? ¿Existe alguna diferencia significativa entre las soluciones obtenidas por el método de Hazen-Williams y el método de Darcy-Weisbach? 10. Desarrolle una curva de rendimiento para la tubería del problema 9, esta muestra el flujo disponible para la industria con una presión residual que va desde 20 psi a 80 psi (asuma que la fuente puede mantener 64 psi). Construir unas curvas similares para tuberías de 10 y 12 pulgadas de diámetro y compare las diferencias en el flujo. 11. Usando la ecuación de Darcy-Weisbach, encuentre el tamaño mínimo para una alcantarilla circular de metal corrugado (k=1.0 x 10 -3 ft) que llevara 1.5 cfs con una profundidad máxima de 6 pulgadas. La alcantarilla lleva agua debajo de una colina de 3 ft de alto a un estanque de caída libre de 75 ft. ¿Que tamaño de tubería se debe usar? Asuma que el diámetro de la tubería se incrementa en 3 pulgadas. ¿Cual será la máxima capacidad de la tubería? ¿Cuál será la capacidad máxima de la tubería cuando este a flujo lleno?

12. Un canal con sección transversal como la que se muestra en la siguiente figura, tiene un coeficiente de Manning de 09.040 desde la estación 0 hasta la estación 3, y 0.054 desde la estación 3 hasta la estación 8. El flujo por el canal es de 13 m 3/s, y la superficie del agua este 1.7 m de alto. Encuentre: a) Coeficiente de Manning pondera para toda la sección. b) Pendiente del canal c) Ancho superficial d) Perímetro mojado e) Régimen del flujo (supercrítico o subcrítico)

Figura de los problemas 12 y 13.

13.  Un arroyo con sección transversal con la que se muestra en la figura anterior tiene un caudal de 5 m 3/s. el arroyo tiene una pendiente longitudinal de 0.002 m/m y su parte inferior es de piedra (n=0.050, estaciones de la 0 a la 8). 14. Un canal rectangular de concreto de 1 m de ancho, 0.5 m de altura y una pendiente de 0.008 m/m. Diseñe una canal de concreto circula para el cual la profundidad del agua el la mitad del diámetro y el área del flujo es la misma que la del canal rectangular. ¿Cuál es canal más eficiente y por cuanto? 15. Un vertedero esta ubicado en un canal rectangular para medir el flujo. El caudal del canal rectangular entra en un canal trapezoidal con lecho rocoso. El canal trapezoidal tiene una base de 0.5 m de ancho, con pendientes iguales en los lados 2:1(H:V). El vertedero es de pared delgada, es triangular con una cresta de 0.43 m por encima del fondo del canal, un coeficiente de 0.058, y un el ángulo del triangulo es de 1.57 radianes. La altura del agua por encima del vertedero es de 0.70m, y la profundidad del agua en el canal trapezoidal es medida a 0.40m. ¿Cuál es el Caudal? ¿Cuál es la pendiente del canal trapezoidal (use la ecuación de Manning)? Si el caudal se incrementa hasta que la superficie del agua en el canal trapezoidal llegue a 0.61m, ¿cuál será la carga sobre el vertedero?

BONO

16. la estructura de salida de un reservorio es utilizada para regular el flujo del reservorio en diferentes eventos de tormenta. La estructura de salida está diseñada para un caudal de 2.20 m3/min cuando la superficie del agua en el reservorio llega a 1.52 m, y 6.29 m 3/min cuando la superficie del agua llega a 2.60 m. la estructura de salida es una combinación de un orificio circular y un vertedero rectangular de pared delgada, con el centroide del orificio a una elevación de 0.9m y la cresta del vertedero tiene una elevación de 2.50 m. Asuma un coeficiente de orificio de 0.6. Encuentre el diámetro del orificio necesario para suplir el caudal correcto para cuando la superficie del agua llega a la primera elevación especificada. ¿Cuál será el caudal en el orificio cuando la superficie del agua alcance la segunda elevación especificada? encuentre el ancho del vertedero necesario para suplir el caudal extra para cumplir los requerimientos. Use la ecuación de Manning cuando sea necesario. 17. 17. Un arroyo natural, con una sección transversal aproximadamente trapezoidal lleva el caudal de un proveniente de un reservorio con una pendiente de 0.001. La máxima profundidad en el canal es de 0.5 m. El canal es simétrico, con taludes (3.0 H:V) y la anchura de la base es 1.0 m. El reservorio descarga el agua por un orifico circular en el canal. El centroide del orificio está localizado 1.0 m por encima de la base del canal. Asuma un coeficiente del orificio de 0.6. Diseñe el orificio para descargar el máximo caudal posible sin exceder la profundidad máxima permitida en el canal cuando la superficie del agua en el reservorio alcanza 4.6 m por encima de la base del canal. Use la ecuación de Manning cuando sea necesario.