Laboratorio de hidráulica Canal a superficie libre con compuerta Paola Andrea Restrepo Henao Estudiante de Ingeniería civil
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Juan Sebastian Ortiz Estudiante de Ingeniería civil Juan.ortiz@udea.edu.co
Resumen !lu"o #ritic #ritico$ o$ !lu"o !lu"o Superc Supercrít rítico ico$$ !lu"o !lu"o Subcrí Subcrític tico$ o$ %anni %anning$ ng$ Socava Socavaci& ci&n$ n$ Palabras Palabras clave claves: s: !lu"o Estructuras Hidraulicas$ #anal Hidraulico.
Abstract
1. INTR!"CCI#N
El presente artículo 'uestra los resultados obtenidos$ el an(lisis ) las conclusiones de la pr(ctica de laboratorio$ de hidr(ulica de canales$ elaborada el día *+ de octubre de +,-$ esta se realiza por 'edio de un canal rectangular a supericie libre /canal abierto0$ la cual consta de un siste'a de bo'beo ) de recirculaci&n de agua. Por otra parte$ el canal cuenta con una re"illa adherida per'anente'ente la cual se puede graduar seg1n se desee$ 2 piez&'etros 3ue per'iten 'edir dierentes presiones a dierentes alturas ) un canal se'icircular construido en ibra de vidrio$ la cual per'ite el retorno del agua$ este canal da la posibilidad de 3ue se le incorporen dierentes estructuras co'o canaletas$ escalones$ reducciones entre otros$ en este caso se le introduce un resalto hidr(ulico /estructura en acrílico0$ para observar el co'porta'iento antes ) despu4s de 3ue el lu"o atraviesa por este5 lo 3ue se pretende con el laboratorio es obtener los resultados de dierentes caudales e6peri'entales con el cierre ) la apertura de la co'puerta ) poderlos co'parar con los resultados te&ricos. En el laboratorio se obtienen caudales entre 777777777777777777777.
est( conor'ado por una co'puerta 3ue per'ite regular o controlar el paso de lu"o$ 2 piez&'etros 3ue a)udan a 'edir la presi&n en ese punto /co'puerta0$ una re"illa vertical 3ue posibilita la salida del lu"o ) un canal se'icircular construido en ibra de vidrio 3ue per'ite el retorno del luido /agua0.
Ima)en 1. #anal abierto$ piez&'etros ) co'puerta.
Ima)en $. Re"illa 3ue regula el lu"o.
$. %AT&RIAL&' ( %&T!' 2.1. Materiales y/o equipos
#rono'etro #uaderno Regla Esero Perilador #anal 8o'ba de agua 9an3ue de a'ortigua'iento #anal se'icircular
2.2. Marco teórico En la pr(ctica de laboratorio se utilizara un canal a supericie libre$ lo cual indica 3ue est( so'etido a la presi&n at'os4rica ) 3ue est( parcial'ente coninado por una supericie$ en este caso por un 'aterial acrílico$ dicho canal
Ima)en *. #anal se'icircular en ibra de vidrio.
Es i'portante 'encionar 3ue dependiendo de la secci&n del canal /triangular$ se'icircular$ trapezoidal$ rectangular entre otras0 se puede lograr unos drena"es adecuados$ el transporte adecuado del luido$ la opti'izaci&n /espacio ) tie'po0 ) la reducci&n de costos a la hora de construir un canal$ en este caso se realiza el estudio por 'edio de un canal de secci&n rectangular 3ue es el 3ue se encuentra disponible en el laboratorio$ dicho canal tiene una pendiente longitudinal pe3ue:a 3ue per'ite 3ue el lu"o se 'ovilice de 'anera acil
) est( construido en acrílico el cual a)uda a 3ue el lu"o no ponga resistencia en las '(rgenes ) en el lecho a la hora de luir$ por 'edio de las siguientes ecuaciones se logra caracterizar de or'a acertada el canal de estudio.
/=0
$
/20
/-0 Agregando a lo anterior$ el ter'ino del deno'inador de la ecuaci&n nu'ero /=0$ se reiere a la velocidad de propagaci&n de la energía en el 'edio luido en or'a de ondas 3ue via"an a una velocidad c 3ue es unci&n de la proundidad hidr(ulica del lu"o$ el cual se calculara en el siguiente articulo.
Ima)en +. Ecuaciones para caraterizar el canal. 9o'ado de udearroba hidr(ulica de canales
;onde< Area hidr(ulica Peri'etro 'o"ado Radio hidrulico Espe"o de agua 8ase Altura
Por otra parte$ en el transcurso de la pr(ctica se evidenciaran los n1'eros adi'ensionales utilizados en la hidr(ulica de canales$ co'o e s el caso del nu'ero de !roude /=0$ Euler /20 ) Re)nolds /-0$ )a 3ue estos per'iten caracterizar de una or'a acertada el lu"o$ co'o por e"e'plo utilizando el nu'ero de !roude pode'os describir un lu"o subcrítico /!r>,0$ lu"o critico /!r?,0 ) lu"o supercrítico /!r,0$ e'pleando el nu'ero de Re)nods se logra caraterizar el r4gi'en del lu"o en la'inar ) turbulento$ teniendo en cuenta 3ue este relaciona las uerzas inerciales con las uerzas resistentes 3ue son a3uellas asociadas con la viscosidad ) por ulti'o el nu'ero de Euler 3ue deine la relaci&n entre uerzas de supericie ) uerzas 'ovilizantes. Por 'edio de las siguientes ecuaciones se logra caracterizar el lu"o<
En el presente articulo se evidenciara dierentes tipos de lu"os co'o por e"e'plo lu"os críticos /!r?,0$ lu"os unior'es /son a3uellos en los 3ue las condiciones de caudales ) periles de lu"o no ca'bian a lo largo del canal0$ lu"os gradual'ente variados /a3uellos en los 3ue las condiciones de caudales ) periles de lu"o ca'bian suave'ente a lo largo del canal0 ) lu"os r(pida'ente variados /a3uellos en los 3ue las condiciones de caudales ) periles de lu"o ca'bian s1bita'ente en un tra'o relativa'ente corto del canal0 /#a:on 8arriga$ +,-0$ )a 3ue el luido atravesara dierentes obst(culos tales co'o co'puerta$ resalto hidr(ulico ) vertedero es i'portante aclarar 3ue los lu"os antes 'encionados se observan en pe3ue:os tra'os del canal de estudio. Por consiguiente$ dichos c(lculos se realizan con las siguientes ecuaciones las cuales nos pe'iten calcular la uerza da la co'puerta /,0$ las energias especiicas /,,0 en puntos especíicos$ la longitud del resalto /,20 utilizado$ alturas /0 B /,C0 ) coeicientes de contracci&n /,+0. /D0 /0
/,+0
/,,0
$
/,0
/,*0
/,C0
/,=0
/,20 #o'o se 'enciono anteriore'nte$ el canal presenta una pe3ue:a pendiente longitudinal ) unos coeicientes de rugosidad 3ue son atribuidos a los 'ateriales con 3ue est(n construidos los canales en este caso acrílico ) ibra de vidrio$ con los cuales se puede hallar un caudal e6perie'ntal ) realizar la co'paraci&n con lo teorico. Adecuerdo a la ecuaci&n de %anning.
/,-0
Agregando a lo anterior$ se e'plear( un perilador$ el cual nos per'itir( co'parar el caudal e6peri'ental con el caudal te&rico.
;espu4s de 3ue el lu"o se estabilice ) tenga la altura pertinente se inicia con las 'ediciones5 la pri'era 3ue se debe realizar es la 'edici&n de la altura del lu"o antes de la co'puerta / 0 en la cual se va a observar un lu"o subcrítico donde !r>,$ posterior'ente se to'an las 'ediciones en los piez&'etros$ en la cual se deben tener presentes las distancias en las 3ue est(n ubicados5 estas deben ser to'adas desde la base de la co'puerta hasta las alturas 3ue registra cada piez&'etro con el lu"o$ cabe 'encionar 3ue con la 'edida en los piez&'etros se puede calcular la presi&n hidrost(tica en un punto deseado$ por 'edio de la ecuaci&n /,0$ seguida'ente se procede a to'ar la 'edici&n de la altura despu4s de la co'puerta / 0 donde se encuentra un lu"o supercrítico r,$ ) las altura antes del resalto hidr(ulico / 0$ despu4s del resalto hidr(ulico / 0$ la longitud del resalto /
0 ) por ulti'o la
altura del lu"o en el canal se'icircular / 0$ volu'en / 0 ) tie'pos / 'encionado.
0 en este 1lti'o
Se realiz& la 'edici&n con un perilador para tener un dato acertado del caudal de estudio ) para poder tener una co'paraci&n te&rica con lo e6peri'ental$ con cada apertura de la co'puerta /, c'$ c'$ * c'$ C c' ) = c'0 realizada se registra las 'ediciones anterior'ente 'encionadas.
2.3. Descripción del laboratorio 2.4. Causas de error #on el in de obtener unos resultados adecuados en la pr(ctica se realiza un reconoci'iento previo del e3uipo a utilizar$ para el apropiado 'ane"o5 co'o pri'er paso se realiza el cierre de la v(lvula /co'pleta'ente0$ para controlar la salida del lu"o al encender el e3uipo$ posterior'ente se prende el e3uipo ) se va abriendo la v(lvula lenta'ente para evitar el desborda'iento del lu"o en el canal. a co'puerta se abre , c' para per'itir la salida del lu"o proveniente del tan3ue ) para evacuar los posibles residuos 3ue este tenga$ a continuaci&n$ se espera 3ue el lu"o se regule antes de iniciar la to'a de datos.
a causa de error '(s apreciable es la ine6actitud hu'ana a la hora de la to'a de 'ediciones tanto de tie'po co'o de 'agnitudes ) asi 'is'o por la descalibracion de e3uipos o por el 'ovi'iento del luido a la hora de la to'a de estas5 otro error apreciable ue a la hora de to'ar los tie'pos ) 'edicioes en el canal se'icircular )a 3ue el ob"eto utilizado para i'pedir el paso del lu"o$ no a"ustaba bien a la canaleta ) de"aba pasar el luido.
*
Seguida'ente registrada por abertura de la encuentran en ane6os.
Ima)en ,. Ob"eto circular para 'edir caudales en el canal
se observaron las 'edidas cada piez&'etro seg1n la co'puerta$ dichos datos se la 9abla ,. Gbicada en los
Por 'edio de las ecuaciones ,$$* ) C se realiza la caracterizaci&n de la secci&n rectangular del canal ) de la secci&n se'ircular de la canaleta en ibra de vidrio.
se'icircular.
8 A P' Rh 9 So /'0 /'0 /'0 /'0 /'0 /'0 +.*+ D.D+ +.+,+ .2C+ ,-.+ +.,C- +.*+ Tabla +. #aracteristicas canal rectangular.E laboraci&n
2.5. Tabla de datos a tabla de datos se presenta en los Ane6os en la 9abla , ) 9abla .
*. R&'"LTA!' os resultados obtenidos en la practica ueron calculados a partir de 'ediciones realizadas para dierentes aberturas de la co'puerta co'o es el caso para , c'$ c'$ * c'$ C c' ) = c'. a pri'era 'edida 3ue se realizo ue la distancia o altura de cada piez&'etro$ 'edido desde la base de la co'puerta$ donde se obtiene<
propia
A P' Rh 9 So /'0 /'0 /'0 /'0 /'0 +.+,+ +$=DC Tabla ,. #aracteristicas canal se'icircular
!O9O #AFA RESG9A;O E#GA#IOFES
;E AS
Seguida'ente por 'edio de las alturas registradas ) e'pleando las ecuaci&nes ,, ) , se busca la ueza especiica ) uerza de la co'puerta para cada abertura$ teniendo encuenta la tabla ,. a /c'0 , * C =
!so
!s,
!c
+. !I'C"'IN !& R&'"LTA!' Ima)en -. Piez&'etros
Fo.pz' , * C = 2
d /c'0 +$+,+ +.+2+ +.,C+ +.*+ +.**+ +.C*+
Tabla *. ;istancias de los piez&'etros 'edidos desde la
,. CNCL"'IN&' -. R&&R&NCIA' 8arriga$ J. E. /+C de ,, de +,-0. Udearroba. Obtenido de Hidraulica de #anales < http
