Lab 5.-Resalto Hidraulico en Canal de Pendiente Variado

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS E.A.P. ING. MECANICA DE FLUIDOS

LABORATORIO DE HIDRAULICA

 TRABAJO

:

RESALTO HIDRAULICO HIDRAULICO

PROFESOR

:

ING. HERQUINIO

 ALUMNO

:

PORTOCARRERO PARAVÉ CARLOS CARLOS

COGIGO

:

07130122

2010

RESALTO HIDRAULICO EN CANAL DE PENDIENTE VARIADO

INTRODUCCION:

En el control de flujos hidráulicos es frecuente el diseño de estructuras disipadoras disipadoras de energía. Los cuencos disipadores de energía tienen aplicaciones prácticas e importantes en el diseño de obras hidráulicas entre otras, un cuenco disipa la energía del agua que fluye sobre presas, vertederos y otras estructuras hidráulicas hidráulicas para que de esta manera se prevenga la socavación aguas debajo de las estructuras; los cuencos disipadores ayudan a recuperar altura o aumentar el nivel del agua en el lado de aguas debajo de una canaleta de medición y mantener un nivel alto del agua en el canal de irrigación o de cualquier estructura para distribución de aguas, así mismo permiten incrementar el peso sobre la zona de aguas debajo de una estructura de mampostería y reducir la presión hacia arriba bajo dicha estructura aumentando la profundidad del agua en su zona de aguas abajo, y permiten aumentar el caudal por debajo de una compuerta deslizante manteniendo alejada la profundidad de aguas abajo, debido a que la altura efectiva se reducirá si la profundidad de aguas abajo ahoga el resalto.

En el presente informe se trata sobre el resalto hidráulico que se origina cuando el flujo choca con un vertedero, de esta forma calularemos los siguientes incognitas: Tirante antes del resalto hidráulico. Tirante después del resalto hidráulico. Caudal. Energía especifica antes y después del resalto. Numero de Froude. Velocidad antes del resalto. Longitud teorica y experimental del resalto hidráulico. Eficiencia teorica y experimental del resalto hidráulico.

OBJETIVOS:



Estudiar, a través del experimento, el comportamiento de un resalto hidráulico en un canal rectangular de pendiente muy baja o nula.



Observar los diferentes tipos de resalto que se forman en la práctica en un canal horizontal.



Verificar la validez de las ecuaciones que describen el comportamiento del flujo aplicando los principios de energía y momentum.

FUNDAMENTO TEORICO

Una aplicación directa de los principios de energía y cantidad de movimiento particularmente de los conceptos de energía especifica, fuerza especifica y flujo gradualmente variado, es el fenómeno que se desarrolla en un flujo a superficie libre y que se denomina resalto hidráulico, que es una sobre elevación de la superficie liquida, el cual se presenta al pasar de una profundidad menor a mayor, a la cual se le llama profundidad crítica o energía mínima. El resalto hidráulico ocurre cuando se pasa de un flujo rápido a uno tranquilo es decir pasa de un tirante menor al crítico mayor. Este fenómeno se presenta muy frecuentemente en la base de embalses, aguas debajo de compuertas y en los alrededores de obstáculos sumergidos, el análisis más sencillo se realiza cuando este fenómeno se desarrolla en un canal rectangular y horizontal, en condiciones de flujo permanente.

Fig. Nº 1 Resalto Hidráulico y diagramas

E vs. Y  y M vs. Y ,

en canales de fondo

horizontal.

El canal de Pendiente variable es útil para poder ver y analizar los diferentes tipos de flujo; esto es posible ya que es hecho en vidrio y esto permite ver las características del flujo; así como producir un resalto hidráulico, el cual nos permite ver flujo sub.-crítico, crítico y súper-crítico.

APLICACIONES: Las aplicaciones prácticas del salto hidráulico son muchas, entre las cuales se pueden mencionar: 









 

Para la disipación de la energía del agua escurriendo por los vertederos de las presas y otras obras hidráulicas, y evitar así la socavación aguas abajo de la obra. Para recuperar altura o levantar el nivel del agua sobre el lado aguas abajo de un canal de medida y así mantener alto el nivel del agua en un canal para riego u otros propósitos de distribución de agua. Para incrementar peso en la cuenca de disipación y contrarrestar así el empuje hacia arriba sobre la estructura. Para incrementar la descarga de una esclusa manteniendo atrás el nivel aguas abajo, ya que la altura será reducida si se permite que el nivel aguas abajo ahogue el salto. Para indicar condiciones especiales del flujo, tales como la existencia del flujo supercrítico o la presencia de una sección de control siempre que se pueda ubicar una estación de medida. Para mezclas químicas usadas para purificar el agua. Para aerear el agua para abastecimiento de agua a las ciudades.

RESALTO HIDRÁULICO:

El resalto hidráulico es un fenómeno local, que se representa en el flujo rápidamente variado, el cual va siempre acompañado por un aumento súbito del tirante y de una pérdida de energía bastante considerable (disipada principalmente como calor), en un tramo relativamente corto. Ocurre en el paso brusco del régimen supercrítico (rápido), a régimen subcrítico (lento), es decir, en el resalto hidráulico el tirante, en un corto tramo, cambia de un valor inferior al crítico a otro superior a este.

Generalmente, el resalto se forma cuando en una corriente rápida existe algún obstáculo o un cambio brusco de pendiente. Esto sucede al pie de las estructuras hidráulicas tales como vertederos de demasías, rápidas, salidas de compuertas con descarga por el fondo, etc. Esto ocurre con frecuencia en un canal por debajo de una compuerta deslizante de regulación, en la parte de aguas debajo de un vertedero o en sitio donde un canal con alta pendiente se vuelve casi horizontal de manera súbita

CANALES RECTANGULARES HORIZONTALES

Para un flujo supercrítico en un canal horizontal rectangular, la energía del flujo se disipa progresivamente a través de la resistencia causada por la fricción a lo largo de las paredes y del fondo del canal, resultando una disminución de velocidad y un aumento de la profundidad en la dirección del flujo. Un salto hidráulico se formará en el canal si el número de Froude (F) del flujo, la profundidad (y1) y una profundidad aguas abajo (y2) satisfacen la ecuación:

CLASIFICACIÓN DEL FLUJO RESPECTO AL RÉGIMEN DE VELOCIDAD FLUJO SUPERCRÍTICO: En este estado el papel jugado por las fuerzas inerciales es más pronunciado presenta una velocidad de flujo muy alta, una profundidad de flujo baja y se genera en condiciones de pendiente alta.

FLUJO CRÍTICO: Régimen de flujo intermedio, se caracteriza por generar alta inestabilidad en el flujo, no es recomendable para el diseño.

FLUJO SUBCRÍTICO: En este estado el papel jugado por las fuerzas gravitacionales es más pronunciado por lo tanto se presenta una velocidad de flujo baja, tiene una profundidad de flujo alta y se genera en condiciones de baja pendiente.

NÚMERO DE FROUD:

 

 √  

LONGITUD DEL RESALTO HIDRÁULICO:

Un parámetro importante en el diseño de obras hidráulicas es la longitud del resalto, que definirá la necesidad de incorporar obras complementarias para reducir esta longitud y/o aplicar medidas de protección de la superficie para incrementar su resistencia a las tensiones de corte. La longitud del resalto puede definirse como la distancia medida desde la cara frontal del resalto y1 hasta un punto en la superficie inmediatamente aguas abajo del remolino y2. Los datos experimentales sobre la longitud del resalto pueden graficarse mediante el número de Froude F1 contra la relación adimensional L/ (y2-y1), L/y1 o L/y2. La curva resultante de la gráfica F1 versus L/y2 muestra la regularidad de una parte plana para el rango de los resaltos bien establecidos.

Formula de la longitud del resalto hidráulico:

                 CONSIDERACIONES DE DISEÑO: PÉRDIDA DE ENERGÍA. En el resalto hidráulico la pérdida de energía es igual a la diferencia de las energías específicas antes y después del resalto

EFICIENCIA. Es la relación entre la energía específica antes y después del resalto, es una función adimensional y depende sólo del número de Fraude del flujo de aproximación.

TIPOS DE RESALTO HIDRAULICO:

RESALTO HIDRAULICO ONDULAR: La superficie de agua presenta la tendencia a la formación de ondulaciones. La disipación de energía es baja, menor del 5%.

RESALTO HIDRAULICO DEBIL: El ondulamiento de la superficie en el tramo de mezcla es mayor y aguas abajo las perturbaciones superficiales son menores. Se generan muchos rodillos de agua en la superficie del resalto, seguidos de una superficie suave y estable. La energía disipada está entre el 5% - 15%

RESALTO HIDRAULICO OSCILANTE: Presenta el chorro interminente sin ninguna periodicidad, que parte desde el fondo y se manifiesta hasta la superficie, y retrocede nuevamente. Cada oscilación produce una gran onda que puede viajar largas distancias. La disipación de energía es de 15% - 45%.

RESALTO HIDRAULICO ESTABLE: Se trata de un resalto plenamente formado, con mayor estabilidad y el rendimiento es mejor, pudiendo variar la energía disipa entre 45% - 70%.

RESALTO HIDRAULICO FUERTE: Resalto con gran disipación de energía (hasta 80%), gran ondulación de la supeficie con tendencia de traslado de la zona de régimen supercritico hacia aguas abajo. Caracterizando por altas velocidades y turbulencia, con generaciones de ondas y formación de una superficie tosca aguas abajo.

INSTRUMENTOS Y EQUIPOS:

Canal rectangular de pendiente variable

linmimetro

PARA LA REALIZACION DEL LABORATORIO:

1. Determinar las características geométricas del canal. 2. Colocar la pendiente del canal en cero(0%). 3. Abrir la válvula para permitir el flujo en el canal. 4. Instalar la adecuadamente el obstáculo en el canal rectangular. 5. Manipular la compuerta al final del canal para formar el resalto hidráulico aguas arriba. 6. Medir la altura de carga de agua sobre el vertedero triangular, localizado aguas abajo del canal rectangular. 7. Registrar los datos correspondientes a Y1, Y2, L. 8. Clasificar cualitativamente el tipo de resalto. 9. Aumentar el caudal y repetir el procedimiento a partir del paso 4. 10.

PARA EL INFORME:

1. Determinar el caudal a partir de la altura de carga de agua m edida en el vertedero patronado con la ecuación 2.51

Q = 13.842 H

, CGS.

2. Calcular la velocidad media del flujo para caudal antes y después del resalto. 3. Calcular el tirante conjugado aguas abajo (Y2) en función del Y1 medido y comparar con la medida realizada en el laboratorio. 4. Calcular la perdida de la energía teórica y experimental. 5. Calcular la eficiencia teórica y experimental. 6. Calcular la longitud del salto y comparar con la longitud medida en el experimento. 7. Determinar el número de Froude y a partir de este clasificar el tipo de resalto que se presento y comparar con la clasificación cualitativa realizada durante la experiencia. 8. Consigue los datos y los valores calculados en la respectiva tabla. 9. Consultar las aplicaciones del resalto hidráulico. 10. Para diferentes valores d Y dibujar las curvas de E vs Y y M vs Y para el ultimo caudal aforado y ubicar los valores correspondientes al salto hidráulico.

PROCEDIMIENTO:

Ancho del canal: 10.9 cm Forma del canal: RECTANGULAR. Pendiente: 0%. 2

2

Gravedad: 9.8 m/s = 980 cm/s

PARA EL PRIMER CAUDAL:

Carga del vertedero:

3

h1 = 14.30 cm



Q 1 = 5.38 l/s = 0.00538 m /s

h2 = 14.50 cm



Q 2 = 5.55 l/s = 0.00555 m /s

h3 = 14.50 cm



Q 3 = 5.55 l/s = 0.00555 m /s

3

3

Calculamos el caudal promedio:

Q = (Q 1 + Q 2 + Q 3)/3 = (0.00538 + 0.00555 + 0.00555)/3



3

3

Q = 0.00549 m /s = 5490 cm /s

CALCULO DE LAS COTAS ANTES DEL RESALTO: Cota inferior: 18.20 cm Cotas superiores: CS1 = 22.1 cm CS2 = 22.1 cm CS3 = 22.2 cm

 Cota superior promedio = 22.13 cm

CALCULO DE LAS COTAS DESPUES DEL RESALTO: Cota inferior: 18.20 cm Cotas superiores: CS1 = 28.8 cm CS2 = 28.0 cm

 Cota superior promedio = 28.43 cm

CS3 = 28.5 cm

TIRANTES: Tirante antes del resalto: Y1 = 3.93 cm

Tirante después del resalto: Y2 = 10.23 cm

Calculamos la velocidad V 1: 3

V1 = Q / A = 5490 cm /s / (3.93cm*10.9cm)  V1 =

128.16 cm/s

Calculo del número de Froude:

 

 √  

FR1 = 128.16 / (980 x 3.93)1/2 = 2.065 Calculo del Y2 teorico:

  2 1/2

Y2 = 3.93/2 * ((1+8*2.065 )  – 1) 

Y2 = 9.679 cm (teorico)

Calculo de las energías específicas: 3

q = 5490 / 10.9 = 503.67 cm /s m E1 = 503.672 / (2*981*3.932) + 3.93 

E1 = 12.30

 √          

2

2

E2 = 503.67 / (2*981*10.23 ) + 10.93 

E2 = 12.16

Calculo del E2 teórico: 2

2

E2 = 503.67 / (2*981*9.679 ) + 9.679 

E2 = 9.68

Calculo del

n

RH =

RH =

RH

teorico:

9.68 / 12.30 = 0.787

Calculo del

n

n

n

RH

experimental:

12.16 / 12.30 = 0.988

Calculo del

n teorico: E

n = 4*(3.93*9.679) / (3.93 + 9.679) = 0.822 2

E

Calculo del

n experimental: E

n = 4*(3.93*10.23) / (3.93 + 10.23) = 0.802 2

E

Calculo de la longitud del resalto hidráulico teórico (L): L = 9.75*3.93*(2.065 – 1)1.01 

L = 40.83 cm

Longitud del resalto hidráulico experimental (L): L = 42 cm

PARA EL SEGUNDO CAUDAL: Carga del vertedero: 3

h1 = 10.40 cm



Q 1 = 2.41 l/s = 0.00241 m /s

h2 = 10.30 cm



Q 2 = 2.37 l/s = 0.00237 m /s

h3 = 10.20 cm



Q 3 = 2.30 l/s = 0.00230 m /s

3

3

Calculamos el caudal promedio: Q = (Q 1 + Q 2 + Q 3)/3 = (0.00241 + 0.00237 + 0.00230)/3 

3

3

Q = 0.00236 m /s = 2360 cm /s

CALCULO DE LAS COTAS ANTES DEL RESALTO: Cota inferior: 18.20 cm Cotas superiores: CS1 = 20.0 cm CS2 = 20.10 cm

 Cota superior promedio = 20.08 cm

CS3 = 20.15 cm

CALCULO DE LAS COTAS DESPUES DEL RESALTO: Cota inferior: 18.20 cm Cotas superiores: CS1 = 24.4 cm CS2 = 24.5 cm

 Cota superior promedio = 24.43 cm

CS3 = 24.4 cm

TIRANTES: Tirante antes del resalto: Y1 = 1.88 cm

Tirante después del resalto: Y2 = 6.23 cm

Calculamos la velocidad V 1: 3

V1 = Q / A = 2360 cm /s / (1.88cm*10.9cm)  V1 =

115.16 cm/s

Calculo del número de Froude:

 

 √  

FR1 = 115.16 / (981 x 1.88)1/2 = 2.683 Calculo del Y2 teorico:

  2 1/2

Y2 = 1.88/2 * ((1+8*2.683 )  – 1) 

Y2 = 6.255 cm (teórico)

Calculo de las energías específicas: 3

q = 2360 / 10.9 = 216.51 cm /s m 2

2

E1 = 216.51 / (2*981*1.88 ) + 1.88 

E1 = 8.64 2

2

E2 = 216.51 / (2*981*6.23 ) + 6.23 

E2 = 6.85

Calculo del E2 teórico: 2

2

E2 = 216.51 / (2*981*6.255 ) + 6.255 

E2 = 6.86

Calculo del

n

RH =

RH =

RH

teorico:

6.86 / 8.64 = 0.794

Calculo del

n

n

n

RH

experimental:

6.85 / 8.64 = 0.792

 √          

Calculo del

n teorico: E

n = 4*(1.88*6.255) / (1.88 + 6.255) = 0.710 2

E

Calculo del

n experimental: E

n = 4*(1.88*6.23) / (1.88 + 6.23) = 0.712 2

E

Calculo de la longitud del resalto hidráulico teórico (L): L = 9.75*1.88*(2.683 – 1)1.01 L = 31.01 cm



Longitud del resalto hidráulico experimental (L): L = 28.5 cm PARA EL TERCER CAUDAL: Carga del vertedero:

3

h1 = 12.3 cm



Q 1 = 3.70 l/s = 0.00370 m /s

h2 = 12.4 cm



Q 2 = 3.78 l/s = 0.00378 m /s

h3 = 12.4 cm



Q 3 = 3.78 l/s = 0.00378 m /s

3

3

Calculamos el caudal promedio: Q = (Q 1 + Q 2 + Q 3)/3 = (0.00370 + 0.00378 + 0.00378)/3 

3

3

Q = 0.00375 m /s = 3750 cm /s

CALCULO DE LAS COTAS ANTES DEL RESALTO: Cota inferior: 18.20 cm Cotas superiores: CS1 = 20.9 cm CS2 = 20.7 cm CS3 = 20.7 cm

 Cota superior promedio = 20.76 cm

CALCULO DE LAS COTAS DESPUES DEL RESALTO: Cota inferior: 18.20 cm Cotas superiores: CS1 = 26.60 cm CS2 = 26.65 cm

 Cota superior promedio = 26.63 cm

CS3 = 26.65 cm

TIRANTES: Tirante antes del resalto: Y1 = 2.56 cm

Tirante después del resalto: Y2 = 8.43 cm

Calculamos la velocidad V 1: 3

V1 = Q / A = 3750 cm /s / (2.56cm*10.9cm)  V1 =

134.39 cm/s

Calculo del número de Froude:

 

 √  

FR1 = 134.39 / (981 x 2.56)1/2 = 2.682 Calculo del Y2 teorico:

  2 1/2

Y2 = 2.56/2 * ((1+8*2.682 )  – 1) 

Y2 = 8.51 cm (teórico)

Calculo de las energías específicas: 3

q = 3750 / 10.9 = 344.03 cm /s m 2

2

E1 = 344.03 / (2*981*2.56 ) + 2.56 

E1 = 11.76

 √          

2

2

E2 = 344.03 / (2*981*8.43 ) + 8.43 

E2 = 9.28

Calculo del E2 teórico: 2

2

E2 = 344.03 / (2*981*8.51 ) + 8.51 

E2 = 9.34

Calculo del

n

RH =

RH =

RH

teorico:

9.34 / 11.76 = 0.794

Calculo del

n

n

n

RH

experimental:

9.28 / 11.76 = 0.789

Calculo del

n teorico: E

n = 4*(2.56*8.51) / (2.56 + 8.51) = 0.711 2

E

Calculo del

n experimental: E

n = 4*(2.56*8.43) / (2.56 + 8.43) = 0.714 2

E

Calculo de la longitud del resalto hidráulico teórico (L): L = 9.75*2.56*(2.682 – 1)1.01 

L = 42.20 cm

Longitud del resalto hidráulico experimental (L): L = 30 cm PARA EL CUARTO CAUDAL:

Carga del vertedero: 3

h1 = 10.7 cm



Q 1 = 2.61 l/s = 0.00261 m /s

h2 = 10.8 cm



Q 2 = 2.69 l/s = 0.00269 m /s

h3 = 10.9 cm



Q 3 = 2.73 l/s = 0.00273 m /s

3

3

Calculamos el caudal promedio: Q = (Q 1 + Q 2 + Q 3)/3 = (0.00261 + 0.00269 + 0.00273)/3 

3

3

Q = 0.00267 m /s = 2670 cm /s

CALCULO DE LAS COTAS ANTES DEL RESALTO: Cota inferior: 18.20 cm Cotas superiores: CS1 = 19.90 cm CS2 = 19.95 cm

 Cota superior promedio = 19.93 cm

CS3 = 19.95 cm

CALCULO DE LAS COTAS DESPUES DEL RESALTO: Cota inferior: 18.20 cm Cotas superiores: CS1 = 25.05 cm  Cota superior promedio = 25.08 cm

CS2 = 25.10 cm CS3 = 25.10 cm

TIRANTES: Tirante antes del resalto: Y1 = 1.73 cm

Tirante después del resalto: Y2 = 6.88 cm

Calculamos la velocidad V 1: 3

V1 = Q / A = 2670 cm /s / (1.73cm*10.9cm)  V1 =

141.59 cm/s

Calculo del número de Froude:

  FR1 = 141.59 / (981 x 1.73)1/2 = 3.43

 √  

Calculo del Y2 teorico:

 

 √          

2 1/2

Y2 = 1.73/2 * ((1+8*3.43 )  – 1) 

Y2 = 7.57 cm (teórico)

Calculo de las energías específicas: 3

q = 2670 / 10.9 = 244.95 cm /s m 2

2

E1 = 244.95 / (2*981*1.73 ) + 1.73 

E1 = 11.94 2

2

E2 = 244.95 / (2*981*6.88 ) + 6.88 

E2 = 7.52

Calculo del E2 teórico: 2

2

E2 = 244.95 / (2*981*7.57 ) + 7.57 

E2 = 8.10

Calculo del

n

RH =

RH =

RH

teorico:

8.10 / 11.94 = 0.678

Calculo del

n

n

n

RH

experimental:

7.52 / 11.94 = 0.629

Calculo del

n teorico: E

n = 4*(1.73*7.57) / (1.73 + 7.57) = 0.606 2

E

Calculo del

n experimental: E

n = 4*(1.73*6.88) / (1.73 + 6.88) = 0.642 E

2

Calculo de la longitud del resalto hidráulico teórico (L): L = 9.75*1.73*(2.43 – 1)1.01 L = 24.20 cm



Longitud del resalto hidráulico experimental (L): L = 28.5 cm TABLA DE DATOS

N

hv(cm)

Y1(cm)

Y2(cm)

L(cm)

1

14.43

2.93

10.23

42

2

10.3

1.88

6.23

28.5

3

12.36

2.56

8.43

30

4

10.8

1.73

6.88

28.5

IDENTIFICAMOS QUE TIPO DE RESALTO ES: 1º FR1 = 2.065 Se encuentra en el intervalo: 1 < FR1 < 2.5 Por lo tanto es un RESALTO DEBIL.

2º FR1 = 2.683 Se encuentra en el intervalo: 2.5 < FR1 < 4.5 Por lo tanto es un RESALTO OSCILANTE.

3º FR1 = 2.682 Se encuentra en el intervalo: 2.5 < FR1 < 4.5 Por lo tanto es un RESALTO OSCILANTE.

4º FR1 = 3.43 Se encuentra en el intervalo: 2.5 < FR1 < 4.5 Por lo tanto es un RESALTO OSCILANTE.

CUESTIONARIO:

FORMULAS PARA LA LONGITUD DE RESALTO HIDRAULICO:

CONCLUSIONES



En el laboratorio se pudo hacer el estudio experimental del resalto hidráulico y pudimos darnos cuenta de la diferencia de tipos y resalto, además de ver la diferencia de la longitud del resalto en el marco teorico y experimental.



El flujo en el canal rectangular de pendiente variable es turbulento.