Informe de UNMSM - OBRAS Hidraulicas

Frontis de la Facultad de Mecánica de Fluidos de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos.

En las instalaciones de la facultad de mecánica de fluidos pudimos visitar el laboratorio de mecánica de fluidos y con la guía del ingeniero Manuel Vicente Herquinio Arias,  Arias,  pudimos conocer de forma práctica los distintos instrumentos y equipos adecuados para una verdadera experiencia en los conocimientos de la dinámica de los fluidos y su comportamiento en los distintos eventos de canales por los cuales fluye. Así como también algunos instrumentos que permiten sus mediciones para realizar cálculos de caudal, velocidad, etc. de los fluidos.

A continuación veremos algunos de estos instrumentos y una breve explicación de su utilidad:

BANCO DE TUBERÍAS:

A menudo, se enfrenta la tarea de diseñar sistemas para fluidos como redes de cañerías, y su cálculo debe realizarse en base a las pérdidas incurridas cuando un fluido fluye a través de cañerías,

válvulas,

uniones,

codos y otros elementos, así como también el comportamiento que adquirirá el fluido en su recorrido con respecto a las variantes asociadas a él. En la elección de un ducto para el transporte de fluidos, intervienen dos factores que se contradicen entre sí. Por un lado está el tamaño del conducto, el cual debe ser mantenido en el mínimo para reducir el costo de instalación, y por la otra parte conviene que el ducto sea grande para reducir la fricción y por ende el costo de bombeo. Es indispensable que junto con la enseñanza teórica de la Mecánica de los Fluidos, esté también presente un programa experimental para entregar así una visión más real de los cambios que sufren los fluidos al modificar las variables que están directamente relacionadas con su comportamiento, como lo son el diámetro de la cañería, el material de esta y la cantidad y calidad del resto de elementos existentes, en el sistema. Mediante el diseño y posterior construcción de este módulo, los estudiantes de mecánica de la sede podrán interiorizar con los distintos parámetros involucrados en el uso y comportamiento de los fluidos, lo que será de gran utilidad en su posterior desempeño profesional.

VERTEDERO PARA MEDIR CAUDAL Esta actividad es sumamente importante ya que con este método podemos verificar si la planta está trabajando con el caudal de diseño, esto lo podemos

concluir

con

la

medición de la perdida de carga. Para iniciar con toda esta actividad se debe aforar el flujo de agua entrante al filtro. A continuación se explicara de modo ilustrativo el método a seguir.

Se debe manipular las compuertas de los canales para estabilizar el flujo y encontrar la elevación cero que equivale al vértice del vertedero. Esto se realiza al girar las manilletas de operación de cada compuerta. Si de ser necesario se deben abrir tapones de desagüe para estabilizar el flujo. Al tener el flujo estable se debe proceder a marcar con un lapicero o marcador permanente la altura cero la cual equivale al vértice del vertedero, en este caso de forma triangular. Recordar que no en todos los casos vamos a contar con compuertas las cuales se pueden manipular por lo tanto se debe utilizar el ingenio y lo que tengamos a como herramienta para estabilizar el flujo.

Se procede a marcar el cero y fijar la regla de aforo a una distancia recomendable de 0.90m. a 1.00m. del vertedero, ya que si ubicamos la regla de aforo cerca del vertedero nos será difícil leer las alturas deseadas ya que el flujo en esta sección del canal empieza a realizar una curva para poder entrar al vertedero y caer a la caja distribuidora.

Al tener ubicada la regla de aforo se empieza a manipular la compuerta de entrada de flujo para estabilizar el flujo a una altura determinada. Con un simple balde, cronometro y una probeta graduada se procede a medir el caudal para cada altura. Así sucesivamente se empieza a medir los caudales correspondientes a las alturas deseadas, hasta tener por completo la compuerta abierta el cual le dará la máxima capacidad en esta instancia.

Se procede a tomar las medidas del filtro, esto para tener el área de filtración y poder calcular la velocidad de filtración (Vf=Q/Af). Donde: Vf= a velocidad de filtración m/s Q= Caudal m³/s Af= Área de filtración m² La velocidad de filtración depende del caudal en que la planta esté trabajando y el estado de limpieza del mismo. Se debe medir el Angulo del vértice del vertedero triangular para substituir en la ecuación y así poder calcular los coeficientes de perdida carga por caudal. Dependiendo del tipo de vertedero se debe investigar la ecuación general del mismo.

El operador debe proceder a limpiar el filtro, primero debe revolver el espesor superficial con una pala esto se debe realizar hasta que toda el agua se torne a un color café oscuro, con cuidado de no revolver la capa de grava superficial con la capa intermedia. En esta actividad se deben abrir los desagües de limpieza y cerrar el que conecta a la siguiente etapa.

Se procedió a medir con una regla la altura de 5.00cm. para calcular la velocidad de limpieza del filtro. Se abrió el válvula de limpieza y se tomo el tiempo en el cual se demoraba el agua en evacuar 5.00cm. luego se procedió a realizar la misma actividad con 10.00cm.

RÁPIDA ESCALONADA

En el diseño de las estructuras hidráulicas con alta velocidad aparecen frecuentemente problemas ocasionados por elevadas presiones negativas que pueden producir graves deterioros de la estructura por cavitación. De todos es conocido que uno de los métodos más eficaces para evitar los daños por cavitación es introducir aire en el flujo de agua, logrando un fluido que sea mezcla de agua y pequeñas burbujas de aire de manera que la proporción de este en las proximidades del paramento sea superior al 8%. La forma de conseguir que el aire penetre en la masa de agua puede ser de forma forzada o de manera natural.

En los aliviaderos escalonados, la alta turbulencia del flujo en la proximidad de los escalones provoca el acortamiento de la zona de flujo irrotacional si se compara con un aliviadero convencional y una vez que alcanza el punto de incepción se inicia la aireación

natural,

manteniéndose

de

forma

permanente un alto contenido de aire en la masa fluida.

La observación en modelo reducido del flujo en un aliviadero escalonado si se mira desde el lado de la superficie

libre,

muestra

un

flujo

claro

y

transparente y súbitamente un flujo blanco que tiene forma de U aplanada, o, sea, la aireación se inicia antes junto a los cajeros, pero se desarrolla prácticamente a la misma cota en el resto del aliviadero. Si se observa el flujo desde el lateral o desde la solera se aprecia una lámina transparente disminuyendo progresivamente de espesor hasta que en un cierto escalón aparecen burbujas de aire confinadas por las fuerzas centrífugas del remolino asociado al escalón. En función del caudal unitario, aguas abajo de esta celda todo el flujo se llena de burbujas de aire aumentando considerablemente el espesor de la lámina de agua. E n las observaciones realizadas se ha tomado como altura a la que comienza la aireación la cota media del primer escalón donde se mantienen confinadas las burbujas ya que se ha podido comprobar que esta cota coincide con la línea blanca de inicio de aireación que se aprecia en el flujo observándole desde una posición frontal.

En la cuantificación de los resultados el inicio de la aireación se localiza por la diferencia de su cota con la del umbral del vertedero, en lugar de longitud a lo largo del aliviadero que es como suele ser estimado por otros autores. Esto se justifica en este caso porque es el número de saltos (y no el que la huella sea un poco mayor o menor) el parámetro más ligado al desarrollo de la turbulencia y por otra parte permite obtener más directamente la velocidad del flujo en la cota en la que se inicia la aireación, pudiéndose estimar el riesgo de cavitación al fijar una correlación entre las velocidades y la posible existencia de presiones negativas.

Los aliviaderos escalonados presentan una gran turbulencia del flujo, potenciada por que la inestabilidad de la lámina de agua produce choques y despegues con los escalones lo que a su vez favorece la entrada de aire en los mismos. Este aire permanece en el escalón gracias a los vórtices de eje horizontal inducidos por la fuerte turbulencia del flujo. Al mismo tiempo y a partir de una cierta concentración esta fuerte agitación compensa suficientemente los efectos del gradiente de presiones existente en la celda triangular entre el paramento vertical y horizontal que tiende a separar las burbujas del paramento.

 AFORADOR PARSHALL

El aforador Parshall , es un aparato que se basa en la pérdida de altura del nivel del agua producida por el paso forzado de una corriente a través de un estrechamiento inclinado. La entrada, de paredes convergentes, y la salida, de paredes divergentes, están separadas por una garganta de paredes paralelas y con el piso inclinado. Se usan aforadores de tamaños escalonados para medir diferentes caudales de agua. Los de mayor tamaño son fijos y construidos con obra de albañilería, mientras que los más pequeños son movibles y se construyen de chapa metálica. La medición del caudal se obtiene mediante tablas y ábacos específicos para cada tipo de aforador. Con este procedimiento se obtienen mediciones muy precisas, aún cuando el aforador trabaje con inmersión casi completa.

CANAL PARA MEDICIÓN DE CAUDAL EN CANAL ABIERTO.

El Laboratorio de Hidráulica cuenta con una superficie cubierta de 850 m 2 dedicadas a oficinas, biblioteca y área de 500 m2 a las actividades de laboratorio como ensayos en modelo físico, ensayos en canal, mediciones hidrodinámicas, tareas de taller, etc. Sobre dicha superficie están dispuestas, distintas obras y estructuras fijas. Éstas son: cisterna subterránea, canal experimental (o canal “escuela”) de pendiente variable, canales de aforo, tanque volumétrico para aforo entre otras. Canales de aforo Se utilizan para la medición de los caudales ensayados. Cuentan con vertederos de placa delgada y boca triangular, con ángulo al centro de 90°, ubicado en el extremo aguas abajo del canal. Su colocación se hizo de acuerdo a las normas especificadas por el fabricante, y la curva “Altura limnimétrica vs. Caudal” se calibró de acuerdo a dichas normas. La placa está biselada

en su parte superior a los efectos de cumplir con las condiciones de vertedero de pared delgada. Canal experimental de pendiente variable y oleaje Posee una de estructura de acero, revestido en paneles de vidrio, con pendiente variable, de 14 metros de longitud y sección transversal de 0.5 m x 0.6 m. Cambiando la configuración del canal, el mismo tiene la capacidad de usarse para experimentación en el ámbito fluvial, simulando corriente unidireccional como también para generara condiciones de oleaje. En el apartado de equipamiento están expuestas las características del generador de oleaje con el que se cuenta en el LH. Aguas abajo posee una compuerta de inclinación regulable con la que se puede modificar el tirante y la velocidad del flujo en todo el canal. Posteriormente el flujo es evacuado hacia un canal de restitución paralelo (Canal de Aforo “1”), construido en mampostería, donde se

realiza la medición del caudal mediante un vertedero triangular. Éste puede remplazarse por un vertedero rectangular o una canaleta Parshall, ambos disponibles en el Laboratorio. Equipo de bombeo Se cuenta con dos bombas sumergibles tipo Flyght, cada una de ellas capaz de desarrollar un caudal máximo de 70 lts/seg. Cada bomba cuenta con una conducción de alimentación y una conducción de retorno a cisterna, ambas de hierro forjado. Sobre tales conducciones se hallan dispuestas válvulas esclusas de operación manual que permiten regular los caudales que viajan hacia el modelo que se quiere ensayar. Cisterna La cisterna del LH consiste en un recinto subterráneo de sección rectangular de 1.30 metros de ancho por 0.75 metros de profundidad, y con un desarrollo rectangular en planta de unos 76 metros lineales. Tanque volumétrico Se encuentra ubicado por debajo del nivel del suelo, entre la salida de la restitución del canal experimental y el retorno a cisterna. Tiene una sección 1.50 x 1.50 m y una altura total de 3 metros. Es utilizado para el aforo de caudales, cuenta con una regla en toda su longitud para la medición de niveles y con un limnímetro digital con sensor electrónico