informe 1 Hidráulica de Canales Abiertos

LABORATORIO DE HIDRAULICA DE CANALES ABIERTOS INFORME DE PRACTICA Nº1 ALUMNO: Carolyn Salvatierra Otoya CÓDIGO:

20130655

TEMA: MF2-01: CANALES

FLUJO

HORARIO: 0709

PERMANENTE

Y

UNIFORME

EN

MF2-02: FLUJO GRADUALMENTE VARIADO (PERFILES) MF2-03: FLUJO RAPIDAMENTE VARIADO (CASO: RESALTO HIDRAULICO) JEFE DE PRÁCTICA: Renato Cárdenas FECHA DE REALIZACIÓN: 10/09/2016 CALIFICACIÓN: ITEM PRUEBA DE ENTRADA TRABAJO Y PARTICIPACIÓN INFORME DE LABORATORIO NOTA DE LABORATORIO

PUNTO S

FIRMA DEL JEFE DE PRACTICA: 1. Introducción 1.1.

Objetivos

MF2-01: FLUJO PERMANENTE Y UNIFORME EN CANALES 

Estudiar los métodos de Chezy, Manning y Darcy-Weisbach, y usando los caudales y tirantes hallados en el laboratorio, calcular la pendiente de energía para un canal uniforme.

MF2-02: FLUJO GRADUALMENTE VARIADO (PERFILES) 

Obtener las caracteristicas del perfil del flujo en estudio por el método directo tramo a tramo.

MF2-03: FLUJO RAPIDAMENTE RESALTO HIDRAULICO) 

VARIADO

(CASO:

Distinguir el flujo rápidamente variado mediante la aparición del fenómeno resalto hidráulico y clasificar el tipo de resalto producido, usando el calculo del numero de Froude.

1.2.

Aplicaciones practicas en la ingeniería

En la mayoría de las aplicaciones relacionadas con la Recolección de Aguas Servidas y/o Pluviales, así como en algunas en el Abastecimiento de Agua resulta más conveniente que la conducción del agua se realice bajo condiciones de Superficie Libre ( o en Canal) y, de allí que su diseño se realice siguiendo los criterios del Diseño de Canales. La condición que impera en los Canales y otros Sistemas conduciendo agua es la Del Régimen No Permanente, y un caso claro es el correspondiente a la variación temporal que tiene el Caudal en determinado cauce ante la ocurrencia de una precipitación. Igualmente, si se tratase de Sistemas de Conducción de Aguas Residuales, es de esperarse que el caudal respectivo varíe en forma horaria a lo largo de un día cualquiera, en función de la utilización que las personas le dan al agua. Aun así, es práctica común (y si se quiere conservadora) realizar el Diseño de Canales y otras Conducciones (tanto a presión como a

Superficie Libre) considerando que el Régimen es Permanente, para lo cual se utiliza el Caudal Máximo Instantáneo que se determine en función del tipo de obra. Esto simplifica enormemente las labores de diseño y análisis, al eliminar la complejidad asociada a la resolución de las Ecuaciones del Régimen No Permanente.

2. Metodología y Datos 2.1.

Fundamento teórico

MF2-01: FLUJO PERMANENTE Y UNIFORME EN CANALES Cuando el flujo es de tipo permanente, en una sección del canal permanecen constantes con respecto al tiempo las caracteristicas hidráulicas del flujo (tirante, velocidad media, etc.), además puede ser uniforme o variado. En el flujo uniforme, a lo largo del canal permanecen constantes las caracteristicas del flujo. Para distinguir si el flujo es permanente y uniformes, usaremos las siguientes ecuaciones: 

Chezy: V =C √ RS



Manning: 2

1

R3 S 2 V= n



Darcy – Weisbach: V =−√ 32 gRS log 10 (



Horton – Einstein: 2 /3

Pi ∙ ni3 /2 ∑ n=( ) P

k 1.255 ν + ) 14.8 R R √32 gRS

MF2-02: FLUJO GRADUALMENTE VARIADO (PERFILES) El flujo gradualmente variado es un flujo permanente cuya profundidad o tirante varia suavemente a lo largo del eje del canal. En consecuencia, la velocidad varia de una sección a otra. A diferencia del movimiento uniforme en donde las pendientes de fondo, de la superficie libre y de la línea de energía son iguales, en el movimiento gradualmente variado, estas tres pendientes son distintas. La ecuacion general para el flujo gradualmente variado consiste en que

dy S o−S f = dx 1−Fr 2

donde: x = Posicion de la sección de estudio y = Tirante de agua S 0 = Pendiente del fondo del canal S f = Pendiente de la línea de energía Fr

= Numero de Froude

Existen los siguientes métodos para el calculo de perfiles:  Método de integración grafica o numérica  Método de integración directa  Método tramo a tramo En este laboratorio usaremos el método tramo a tramo, por tanto usaremos la siguiente ecuacion, la cual se rige para un tramo (1) – (2) genérico. dx=

E 2−E 1 S 0− S´ f

donde: dx

= Distancia entre secciones

E

= Energía especifica =

So

= Pendiente del fondo del canal (So = 0)

y +α

V2 2g

( α

= 1)

S´ f = Pendiente de la línea de energía en el tramo

S +S S´ f = f 1 f 2 2

MF2-03: FLUJO RAPIDAMENTE RESALTO HIDRAULICO)

VARIADO

(CASO:

El flujo rápidamente variado se caracteriza porque:  La curvatura del perfil es tan grande que ya no se puede suponer distribucion hidrostática de presiones  Tiene lugar en un tramo tan corto que la perdida de carga por fricción es por lo general muy pequeña. Este tipo de flujo puede ser de perfil continuo como en los vertederos y compuertas o de perfil desconocido con en el resalto hidráulico. El resalto hidráulico actúa como disipador de energía, estos se clasifican en varias clases al estar en fondos horizontales. La clasificación, donde el Numero de Froude es el indicador, es la siguiente: Para Fr1=1, el flujo es crítico y por consiguiente no se firma resalto. Para 1.0 < Fr1 < 1.7, la superficie del agua muestra ondulaciones y se presenta el resalto ondulante. Para 1.7 < Fr1 < 2.5, se desarrolla una serie de remolinos sobre la superficie del agua pero aguas abajo permanece uniforme y la velocidad de la sección es razonablemente uniforme. Para 2.5 < Fr1 < 4.5, existe un chorro oscilante que entra desde el fondo del resalto hasta la superficie y se devuelve sin ninguna periodicidad y cada oscilación produce una onda grande con periodo irregular produciéndose entonces el resalto oscilante. Para 4.5 < Fr1 < 9, la extremidad de aguas abajo del remolino superficial y el punto sobre el cual el chorro de alta velocidad tiende a dejar, ocurren prácticamente en la misma sección vertical la acción y posición de este resalto son menos sensibles a la variación en la profundidad de aguas abajo, el resalto es bien balanceado y su comportamiento es el mejor presentándose de esta manera el resalto estable.

Para F1 > 9.0, el chorro de alta velocidad choca con paquetes de agua intermitentes que corren hacia abajo a lo largo de la cara frontal del resalto generando ondas hacia aguas abajo y puede prevalecer una superficie rugosa, la acción del resalto es brusca pero efectiva produciéndose entonces el resalto fuerte. Por tanto, vemos que el resalto hidráulico es una alteración brusca del tirante, y para hallar las dimensiones de este fenómeno, disponemos de las siguientes ecuaciones: Coeficiente de Contracción: C c=

h2 a Caudal Teórico:

Qteorico =B . a

Cc

√

a 1+C c h1

√ 2 g h1

Coeficiente de descarga: C d=

Qreal Qteorico y 1 t eórico :

√

−y 1 y 12 2 V 12 y 1 y 2= + + 2 4 g y 2 t eórico :

√

−y 2 y 22 2 V 22 y 2 y 1= + + 2 4 g Número de Froude: Fr1 =

V1 √ g . y1 Perdida de Energía: 3

(y −y ) ∆ E= 2 1 4 . y1 . y2

Longitud de resalto teórico: Lte órico =( 6.9 ) .( y 2− y 1 )

2.2.

Procedimiento

MF2-01: FLUJO PERMANENTE Y UNIFORME EN CANALES y MF2-02: FLUJO GRADUALMENTE VARIADO (PERFILES) Para los dos primeros experimentos, primero fijamos los caudales con los caudales trabajaremos, en este caso trabajaremos con 25, 35, 45 y 55 m3/s. Luego abrimos la compuerta que se encuentra al termino del canal y comenzamos a medir con la ayuda de los limnimetros, las cotas de fondo y superficie a 1.5, 3.0, 4.5 y 7.5 m. de la entrada del canal, para así obtener las mediciones de los tirantes . Para el experimento 1, solo usaran los tirantes hallados a 1.5 y 7.5 m. de la entrada del canal; y para el experimento 2 si se usaran todos los tirantes hallados.

MF2-03: FLUJO RAPIDAMENTE RESALTO HIDRAULICO)

VARIADO

(CASO:

Para este experimento se introducirá una compuerta deslizante dentro del canal rectangular, medimos la abertura “a” respecto a la base del canal. Luego hundimos por completo la compuerta situada al final del canal y prendemos la bomba, abrimos la válvula de compuerta a la salida de la bomba y fijamos los caudales con los que se trabajaran que serán de 30 y 35 m 3/s. Ahora alzamos la compuerta situada al final del canal para obtener el resalto hidráulico, y empezamos a medir los datos necesarios: las cotas tanto del fondo como de la superficie libre del agua a 1m antes de la posición de la compuerta (h1) así como justo después de esta, en el punto mas bajo de la contracción (h2).

2.3.

Descripción de datos

MF2-01: FLUJO PERMANENTE Y UNIFORME EN CANALES y MF2-02: FLUJO GRADUALMENTE VARIADO (PERFILES) Para los dos primeros experimentos tenemos los siguientes datos:

Ancho de la sección rectangular: 0.4 m nconcreto = 0.014 nvidrio = 0.010 ν

= 10-6 m/s

Q (m3/s) 0.025 0.035 0.045 0.055

y1(m) "1.5m" 0.1047 0.1301 0.1467 0.1662

y2(m) "3m" 0.1012 0.124 0.1433 0.162

y3(m) "4.5m" 0.0992 0.1212 0.1385 0.1582

MF2-03: FLUJO RAPIDAMENTE RESALTO HIDRAULICO)

Qreal (m3/s) 0.0300 0.0350

a (m) 0.048 0.048

h1 (m) 0.2606 0.3692

h2 (m) 0.0314 0.0320

y4(m) "7.5m" 0.0852 0.1025 0.1205 0.1371

VARIADO

y1 (m) 0.0457 0.0594

y2 (m) 0.1366 0.1619

3. Resultados y Discusión de Resultados 3.1.

(CASO:

Resultados

MF2-01: FLUJO PERMANENTE Y UNIFORME EN CANALES

Lreal (m) 0.5207 0.7400

EXP1 Qreal 0.025 0.035 0.045 0.075

Chezy "C" 46.04 41.56 45.52 61.08

y1 0.1047 0.1301 0.1467 0.1662

y2 0.0852 0.1025 0.1205 0.1371

Manning "n" 0.014 0.016 0.014 0.011

Vprom 0.665 0.763 0.850 1.248

∆E 0.020 0.028 0.026 0.029

Sprom 0.0033 0.0046 0.0044 0.0049

Horton-Einstein "n" Darcy-Weisbach "k" 0.013 0.00235 0.013 0.00484 0.012 0.00314 0.012 0.00045

MF2-02: FLUJO GRADUALMENTE VARIADO (PERFILES) Para un caudal de 25 L/s : Qreal (m3/s)

0.025

Y (m) 0.1047 0.1012 0.0992 0.0852

A (m2) 0.0419 0.0405 0.0397 0.0341

∆E (m) 0.0022 0.0012 0.0068

Ancho (m) P (m) 0.6094 0.6024 0.5984 0.5704

Sf

Sf

0.0020 0.0023 0.0024 0.0038

0.4

R (m) 0.0687 0.0672 0.0663 0.0597

dx (m)

0.0022 0.0023 0.0031

0.000 1.033 0.518 2.188

V (m/s) 0.5969 0.6176 0.6300 0.7336

Xacumulad o (m) 1.033 1.551 3.739

E (m) 0.1229 0.1206 0.1194 0.1126

Horton-Einstein "n" 0.013 0.013 0.013 0.013

Para un caudal de 35 L/s : Qreal (m3/s) Y (m) 0.1301

0.035

A (m2) 0.0520

Ancho (m) P (m) 0.6602

R (m) 0.0788

0.4

V (m/s) 0.6726

E (m) 0.1532

Rprom 0.064 0.073 0.080 0.086

0.1240 0.1212 0.1025

0.0496 0.0485 0.0410

∆E (m) 0.0038 0.0016 0.0081

0.648 0.6424 0.605

Sf

Sf

0.0021 0.0024 0.0026 0.0043

0.0765 0.0755 0.0678

dx (m)

0.0023 0.0025 0.0034

0.000 1.677 0.646 2.373

0.7056 0.7219 0.8537

Xacumulad o (m) 1.677 2.323 4.696

0.1494 0.1478 0.1396

Horton-Einstein "n" 0.013 0.013 0.013 0.013

Para un caudal de 45 L/s : Qreal (m3/s)

0.045

Y (m) 0.1467 0.1433 0.1385 0.1205

∆E (m) 0.0020 0.0026 0.0072

A (m2) 0.0587 0.0573 0.0554 0.0482

Sf 0.0024 0.0026 0.0029 0.0043

Ancho (m) P (m) 0.6934 0.6866 0.677 0.641

Sf 0.0025 0.0027 0.0036

0.4

R (m) 0.0846 0.0835 0.0818 0.0752

dx (m) 0.000 0.780 0.944 1.996

V (m) 0.7669 0.7851 0.8123 0.9336

Xacumulad o (m) 0.780 1.724 3.720

E (m) 0.1767 0.1747 0.1721 0.1649

Horton-Einstein "n" 0.012 0.012 0.012 0.013

Para un caudal de 55 L/s : Qreal (m3/s) Y (m) 0.1662 0.1620 0.1582

0.055

A (m2) 0.0665 0.0648 0.0633

Ancho (m) P (m) 0.7324 0.724 0.7164

R (m) 0.0908 0.0895 0.0883

0.4

V (m/s) 0.8273 0.8488 0.8692

E 0.2011 0.1987 0.1967

0.1371

0.0548

∆E (m)

0.6742

Sf

0.0024 0.0020 0.0083

Sf

0.0025 0.0027 0.0029 0.0044

0.0813

dx (m)

0.0026 0.0028 0.0037

0.000 0.903 0.716 2.272

Xacumulad o (m) 0.903 1.619 3.891

MF2-03: FLUJO RAPIDAMENTE RESALTO HIDRAULICO) Cc 0.6542 0.6667

y1teorico y2teorico (m) (m) 0.010 0.275 0.008 0.376

3.2.

V1 (m/s) 0.2432 0.2147

Fr1 (*) 0.3632 0.2812

y2/y1 (*) 2.989 2.726

0.1884

Horton-Einstein "n" 0.012 0.012 0.012 0.012

VARIADO

Qteorico (m3/s) 0.0253 0.0317

y2/y1 teorica 0.036 0.022

(CASO:

Cd 1.1836 1.1040

∆E (m) (*) 0.0301 0.0280

Lteorica (m) 1.8314 2.5392

Discusión de resultados

MF2-01: FLUJO CANALES 

V2 (m/s) 2.0180 2.4767

1.0029

PERMANENTE

Y

UNIFORME

EN

Los coeficientes de Chezy son relativamente cercanos, excepto para la ultima medida del caudal en donde , el cambio de valor es mas notorio.





Los coeficientes de Manning, si salen parecidos para todos los caudales pero vemos que deben de estar en el rango de 0.014 y 0.010 ya que son las rugosidades de los materiales por los que esta compuesto nuestro canal. Entonces nos damos cuenta que para el segundo caudal no cumple, ya que nos sale n igual a 0.016. El coeficiente de Darcy nos salen muy pequeño pero coinciden en los 4 casos de caudal, podemos decir que guardan relación.

MF2-02: FLUJO GRADUALMENTE VARIADO (PERFILES) 

Notamos que en los 4 casos de los caudales nuestro X acumulado no cumple con la distancia total que es 6 m. , nos sale en el rango de 3 y 4 m.

MF2-03: FLUJO RAPIDAMENTE RESALTO HIDRAULICO)  



VARIADO

(CASO:

El caudal teórico nos sale parecido al caudal real, la diferencia no es abismal. Sin embargo, para los tirantes teóricos, la diferencia con los tirantes reales si es mucha, los tirantes teóricos salen mucho menor que los reales. Por tal razón, la longitud del resalto teórico sale muy distinto también, en este caso sale mas del doble que la la longitud medida en el experimento.

4. Conclusiones y Recomendaciones MF2-01: FLUJO CANALES 





PERMANENTE

Y

UNIFORME

EN

Podemos decir que en el primer experimento nuestro coeficientes de rugosidades de Manning, Horton-Einstein y Darcy, guardan relación entre los distintos casos de caudales, pero vemos que el mas se asemeja a la rugosidades dadas es el de Horton-Einstein, pero quizás con el de Manning también se asemeja bastante excepto para el caso 3. Esta diferencia del caso 3 quiza se deba a la medición de la datos iniciales, es decir, las cotas para hallar los tirantes con el limnímetro , ya que este no estaba completamente fijo, se movía un poco. Por tanto, se recomienda verificar las mediciones de la cotas tirantes , si es posible medir dos veces para asegurarnos de los

datos tomados, y además establecer bien los caudales con los que se quiere trabajar.

MF2-02: FLUJO GRADUALMENTE VARIADO (PERFILES)  Como hemos dicho anteriormente, nuestro Xacumulado no sale igual a la distancia entre los tirantes lejanos que 6 metros. Esto puedo ser debido por los mismo dicho, mediciones de los tirantes. Y vemos que esto ocurre en los 4 casos, así que, es de suma importancia realizar bien las mediciones de las cotas.

MF2-03: FLUJO RAPIDAMENTE RESALTO HIDRAULICO)   



VARIADO

(CASO:

El caudal teórico sale parecido al caudal real, la diferencia es mínima. En cambio para los tirantes al ser la diferencia mucha, no se puede justificar el cambio drástico. Por esta razón es que la longitud del resalto nos sale muy distinta a pesar de que las longitudes reales nos salen distintas por usar diferentes caudales. Se recomienda revisar la medición de la abertura respecto a la base del canal así como la longitud real del resalto medida durante el experimento.

5. Bibliografía Libro Chow, Ven Te, 19191994 Hidráulica de los canales abiertos Santafé de Bogotá [etc.] : McGraw-Hill, 1994. Libro Chereque, W. 1993 Mecánica de Fluidos 2: Hidráulica de Canales PUCP Libro Rocha, Arturo

1979 Hidráulica de tuberías y canales S.l. : [Universidad Nacional de Ingeniería], [1979-1981]