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ENSAYO DE LABORATORIO Nº 04: Visualización de flujo de canales

UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL, SISTEMAS Y ARQUITECTURA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

VISUALIZACIÓN DE FLUJO DE CANALES INFORME Nº 4

ASIGNATURA: MECÁNICA DE FLUIDOS II

DOCENTE: ING. ZELADA ZAMORAWilmer

GRUPO: Nº 02

ALUMNO: MATTA BAUTISTA Jenner Antonio

CÓDIGO: 075148F

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ENSAYO DE LABORATORIO Nº 04: Visualización de flujo de canales

Lambayeque – Mayo del 2010

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INTRODUCCIÓN El presente trabajo muestra el desarrollo del ensayo de visualización de flujo de canales con la finalidad de conocer los diferentes tipos de flujos que se pueden presentar en un canal y los diferentes fenómenos que ocurren en los diferentes tipos de canales. Gracias a este ensayo se sabría cuales son las causas que ocasionan el deterioro de las estructuras y que elementos se pueden construir para poder disminuir este deterioro y hacer más resistentes, económicos y duraderos los canales. Es de gran interés que el profesional egresado de la escuela profesional de Ingeniería Civil, esté en la capacidad idónea sobre la importancia del empleo de las distintas herramientas de modelación de los fenómenos hidráulicas no solo para conocer las soluciones a problemas en canales sino también para que se puedan tomar como base estos conocimientos y se desarrollar nuevas estructuras innovadoras que den mayores beneficios a la solución de estos problemas.

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INDICE I. Objetivos II. Marco teórico

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III. Equipos y Materiales utilizados

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IV. Desarrollo del ensayo

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V. Conclusiones VI. Recomendaciones VII. Bibliografía

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I. OBJETIVOS: 

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Observar en el aparato FME09 los diferentes tipos de flujos y fenómenos que suceden en los canales logrando un mejor entendimiento de que es un canal hidráulico. Identificar los distintos tipos de canales hidráulicos y su funcionamiento en relación con su geometría. Comprender como es que se disminuyen los fenómenos que suceden en los canales como el de cavitación y el resalte hidráulico.

II. MARCO TEÓRICO: ELEMENTOS DE UN CANAL HIDRÁULICO:       

Captaciones, o estructuras de entrada, Compuertas y Vertederos, para derivaciones, medición de caudales y control de niveles, Transiciones, para empalmar tramos de diferente sección transversal, Sifones y Acueductos, o puentes, para atravesar corrientes naturales y cruzar por depresiones del terreno. Túneles, para atravesar obstáculos naturales, Rampas, escalones y disipadores de energía, para controlar las velocidades en canales de alta pendiente. Descargas, o estructuras de entrega.

TIPOS DE FLUJO El flujo en canales abierto puede clasificarse en muchos tipos y distribuirse de diferentes maneras. La siguiente clasificación se hace de acuerdo con el cambio en la profundidad del flujo con respecto al tiempo y al espacio. FLUJO PERMANENTE Y NO PERMANENTE: Tiempo como criterio. Se dice que el flujo en un canal abierto es permanente si la profundidad del flujo no cambia o puede suponerse constante durante el intervalo de tiempo en consideración. EL FLUJO ES NO PERMANENTE Si la profundidad no cambia con el tiempo. En la mayor parte de canales abiertos es necesario estudiar el comportamiento del flujo solo bajo MECÁNICA DE FLUIDOS II

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condiciones permanentes. Sin embargo el cambio en la condición del flujo con respecto al tiempo es importante, el flujo debe tratarse como no permante, el nivel de flujo cambia de manera instantánea a medida que las ondas pasan y el elemento tiempo se vuelve de vital importancia para el diseño de estructuras de control. Para cualquier flujo, el caudal Q en una sección del canal se expresa por Q=VA. Donde V es la velocidad media y A es el área de la sección transversal de flujo perpendicular a la dirección de este, debido a que la velocidad media esta definida como el caudal divido por el área de la sección transversal. FLUJO UNIFORME Y FLUJO VARIADO: Espacio como criterio. Se dice que el flujo en canales abiertos es uniforme si la profundidad del flujo es la misma en cada sección del canal. Un flujo UNIFORME puede ser permanente o no permanente, según cambie o no la profundidad con respecto al tiempo. El flujo uniforme permanente es el tipo de flujo fundamental que se considera en la hidráulica de canales abiertos. La profundidad del flujo no cambia durante el intervalo de tiempo bajo consideración. El establecimiento de un flujo uniforme no permanente requeriría que la superficie del agua fluctuara de un tiempo a otro pero permaneciendo paralela al fondo del canal. El flujo es VARIADO si la profundidad de flujo cambia a lo largo del canal. El flujo VARIADO PUEDE SER PERMANENTE O NO PERMANENTE es poco frecuente, el termino "FLUJO NO PERMANENTE" se utilizara de aquí en adelante para designar exclusivamente el flujo variado no permanente. El flujo variado puede clasificarse además como rápidamente varia o gradualmente variado. El flujo es rápidamente variado si la profundidad del agua cambia de manera abrupta en distancias compartidamente cortas; de otro modo, es gradualmente variado. Un flujo rápidamente variado también se conoce como fenómeno local; algunos ejemplos son el resalto hidráulico y la caída hidráulica. A.- flujo permanente 1) flujo uniforme 2) flujo variado a) flujo gradualmente variado b) flujo rápidamente variado B.- flujo no permanente 1) flujo uniforme no permanente "raro" 2) flujo no permanente (es decir, flujo variado no permanente) a) flujo gradualmente variado no permanente b) flujo rápidamente variado no permanente

DEFINICIONES BÁSICAS MECÁNICA DE FLUIDOS II

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FENÓMENO DE RESALTE HIDRÁULICO El resalto hidráulico es el ascenso brusco del nivel del agua que se presenta en un canal abierto a consecuencia del retardo que sufre una corriente de agua que fluye a elevada velocidad. Este fenómeno presenta un estado de fuerzas en equilibrio, en el que tiene lugar un cambio violento del régimen de flujo, de supercrítico a subcrítico. Consideremos el siguiente esquema:

TIPOS: Fr1 = 1: Flujo crítico, por lo que no se forma ningún resalto. Fr1 = 1 a 1.7: La superficie de agua presenta la tendencia a la formación de ondulaciones. Resalto hidráulico ondular.

Fr1 = 1.7 a 2.5: El ondulamiento de la superficie en el tramo de mezcla es mayor y aguas abajo las perturbaciones superficiales son menores. Resalto hidráulico débil.

Fr1 = 4.5 a 9.0 : Se trata de un resalto plenamente formado, con mayor estabilidad y rendimiento es mejor, pudiendo variar entre 45% a 70%. Resalto hidraúlico permanente.

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Fr1 > 9: Resalto con gran disipación de energía (hasta 80%), gran ondulación de la superficie con tendencia de traslado de la zona de régimen supercrítico hacia aguas abajo.

FENOMENO DE CAVITACIÓN La cavitación es la evaporación (formación de burbujas de vapor) de un líquido cuando fluye hacia una región dónde la presión estática se reduce a la presión del vapor, con la consecuente condensación (colapso o implosión de las burbujas) cuando éstas pasan a una región dónde la presión estática está sobre la presión del vapor. FENÓMENO DE SOCAVACIÓN Se denomina socavación a la excavación profunda causada por el agua, uno de los tipos de erosión hídrica . Puede deberse al embate de las olas contra un acantilado, a los remolinos del agua, especialmente allí donde encuentra algún obstáculo la corriente, y al roce con las márgenes de las corrientes que han sido desviadas por los lechos sinuosos. En este último caso es más rápida en la primera fase de las avenidas. La socavación provoca el retroceso de las cascadas y de los acantilados que, al ser privados de apoyo en su base, se van desplomando progresivamente. También representa un papel esencial en la formación y migración de los meandros

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III. EQUIPO Y MATERIALES UTILIZADOS 

BANCO HIDRÁULICO – FME00 Equipo para el estudio del comportamiento de los fluidos, la teoría hidráulica y las propiedades de la mecánica de fluidos. Equipo autónomo (depósito y bomba incluidos). Innovador sistema de ahorro de agua consistente en un depósito sumidero de alta capacidad y un rebosadero que devuelve el excedente de agua a dicho depósito. Válvula de desagüe fácilmente accesible. Dispone de un depósito escalonado (volumétrico) para medir caudales altos y bajos, además de una probeta de un litro de capacidad para caudales aún más bajos. Tubo de nivel provisto de escala que indica el nivel de agua del depósito superior. Caudal regulado mediante una válvula de membrana. Pantalla amortiguadora de flujo para reducir el grado de turbulencia. El montaje de los distintos módulos, sin necesidad de utilizar herramientas, asegura su simplicidad.

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DIMENSIONES Y PESO - Las dimensiones aprox.: 1130x730x1000 mm. - El peso aprox.: 70 kg.

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APARATO FME09: VISUALIZACIÓN DE FLUJO DE CANALES DESCRIPCIÓN El módulo consiste en un canal transparente de metacrilato dotado de un rebosadero en la parte superior y una placa regulable en el extremo de descarga. Dicha placa permite regular el nivel de flujo. El agua es suministrada al canal desde la boca de impulsión del Banco Hidráulico (FME00) ó del Grupo de Alimentación Hidráulica Básico (FME00/B), mediante una tubería flexible, pasando a través de un depósito de amortiguamiento que elimina las turbulencias. Dispone de un sistema de inyección de colorante, que consta de un depósito, una válvula de control de flujo y unas agujas que permiten una mejor visualización del flujo alrededor de los diferentes modelos hidrodinámicos, los cuales se colocan en la parte central del canal.

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Nivelación del módulo mediante patas ajustables. Se suministran varios modelos hidrodinámicos para el estudio del flujo alrededor de éstos. POSIBLES PRÁCTICAS 1.- Derrame de líquidos por vertederos de pared delgada. 2.- Derrame de líquidos por vertederos de pared gruesa. 3.- Modelos con perfil de ala sumergidos en una corriente fluida. Aerodinámica. 4.- Modelos circulares sumergidos en una corriente fluida. Aerodinámica. 5.- Demostración del fenómeno asociado con el flujo en canales abiertos. 6.- Visualización de las líneas de flujo alrededor de distintos modelos hidrodinámicos sumergidos.

ESPECIFICAIONES Capacidad del depósito de colorante: 0,3 litros. Anchura/longitud del canal aprox.: 15/630 mm. Profundidad del canal aprox.: 150 mm. Depósito de amortiguamiento que elimina las turbulencias. Modelos hidrodinámicos: Dos alargados. Dos circulares de 25 y 50 mm. de diámetro. Rectángulo con aristas redondeadas. Cuña. Sistema de conexión rápida incorporado. Estructura de aluminio anodizado.

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IV. DESARROLLO DEL ENSAYO: PRIMERA DEMOSTRACIÓN Para esta primera demostración primero se lleno el reservorio y con ayuda de la compuerta dejamos pasar el agua de acuerdo al caudal que queramos apreciar, aquí se vio que el resalte hidráulico que se forma ocupa la mayor parte del canal lo que en un escala real significarían varios kilómetros de resalte, el cual como sabemos deteriora las estructuras de de los canales requiriendo refuerzos para soportar dichos daños, para esto se vio que aumentando la rugosidad al final del canal se logra uniformizar el flujo y disminuir en gran parte el resalte hidráulico minimizando el uso de refuerzos a un pequeño tramo del canal.

SEGUNDA DEMOSTRACIÓN En esta segunda demostración se colocó un vertedero de caída libre con el cual hizo muy notoria la capa límite y se pudo apreciar los diferentes tipos de flujos viéndose un flujo uniforme al principio, gradualmente variado al momento de la caída y rápidamente variado en la parte del resalte hidráulico el cual a su vez también disminuimos aumentando la rugosidad al final del canal. También se vio la presencia del fenómeno de cavitación debido a la ausencia de la presión atmosférica en esa zona lo que ocasionan el la formación y colapso de burbujas de vapor, este fenómeno también es un agente dañino para las estructuras; para esto se demostró que abriendo un agujero en la zona de la cavitación, lo que en la realidad se hace mediante la colocación de tubos, se incorporó la presión atmosférica reduciendo este fenómeno formando una bolsa de aire en la zona.

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TERCERA DEMOSTRACIÓN En esta tercera demostración se invirtió la posición del vertedero cambiándolo ya no por una cresta en caída libre sino por una en caída inclinada aunque de una corta longitud, apreciándose como el flujo en la caída sigue la forma del vertedero obteniéndose un perfil de caída mas definido. Se vio también que se diminuyó el fenómeno de cavitación al igual que el resalte hidráulico, aunque también se redujo esta aumentando la rugosidad en el final del canal.

CUARTA DEMOSTRACIÓN En esta cuarta demostración se generó una caída inclinada de mayor longitud, en esta de aprecia como el perfil de caída sigue la forma del vertedero con un flujo gradualmente variado hasta llegar a la zona de resalte el cual aumenta y MECÁNICA DE FLUIDOS II

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presenta un flujo rápidamente variado; este resalte se trato disminuir con un elemento disipador de energía.

QUINTA DEMOSTRACIÓN En esta quinta demostración se empleó un disipador de energía, viéndose como el flujo trata de adaptarse al disipador cuando este fluye por encima de el, aquí también se apreció que en la formación del resalto hidráulico se generan vorticidades las cuales aparecen en forma de burbujas por lo que se puede concluir de existe la presencia de la capa limite pero no es muy notoria.

SEXTA DEMOSTRACIÓN En esta sexta demostración se usamos un vertedero de cresta ancha, este elemento hace que disminuya el tirante de agua adaptándose el flujo a la geometría del vertedero.

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En esta demostración también se disminuyo el resalte hidráulico aumentando la rugosidad al final del canal.

V. CONCLUSIONES    

Se recrearon en el equipo los diferentes tipos de flujos que se producen en los canales abiertos, apreciándose también los fenómenos de resalte hidráulico y cavitación. Se explicaron las funcionabilidades de los diferentes tipos de vertederos y disipadores viéndose los cambios que estos producen en los flujos. Se demostró como se pueden disminuir la longitud de resalte hidráulico mediante el aumento de la rugosidad en el final del canal. Se demostró también como eliminar el fenómeno de cavitación mediante la incorporación de la presión atmosférica en la zona por medio de conductos u orificios.

VI. RECOMENDACIONES 

Prestar atención a los detalles del flujo puesto que algunos elementos de estos en algunas ocasiones son difíciles de notar como la capa límite por ejemplo.

VII. BIBLIOGRAFÍA    

www.edibon.com.es http://gsilvam.com/estructuras.htm http://www.unesco.org.uy/phi/libros/obrashidraul/capitulo5.pdf http://www.monografias.com/trabajos14/canales-abiert/canalesabiert.shtml

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