Practica Canal Abierto

Práctica 1: Estudio del flujo de fluidos en canales abiertos

PRÁCTICA 1

Estudio del flujo de fluidos en canales abiertos

Área Mecánica de Fluidos. Departamento Tecnología. Universitat Jaume I Manual de Prácticas de Hidráulica Aplicada

3

Práctica 1: Estudio del flujo de fluidos en canales abiertos

Objetivo: A lo largo de la práctica se pretende cubrir un conjunto de objetivos relacionados con la caracterización y la medida de flujo de fluidos en canales abiertos y estructuras hidráulicas. Se pretende entender y profundizar en los conceptos de energía específica y de flujo crítico. Además se estudiarán los métodos más usuales de medida de caudal en canales abiertos, así como ciertos fenómenos como el resalto hidráulico. Descripción de la práctica: Disponemos de un canal hidráulico, cuyo esquema se muestra en la Figura 1.1, y que servirá para realizar diversas experiencias relacionadas con el comportamiento de un fluido en un canal abierto.

Figura 1.1. Elementos del canal hidráulico. Se trata de un canal modular de varios metros, donde el agua es impulsada mediante una bomba centrífuga (1) partiendo de un depósito inicial (12). El agua pasa a través de un conducto (4) y por un codo estabilizador de corriente (6) hasta llegar a la zona del canal con paredes transparentes, donde se realizan las medidas (8). El agua sigue su recorrido pasando por el módulo de salida (11) hasta retornar de nuevo al depósito de recogida (12), cerrando de esta manera el circuito. La instalación cuenta con una llave de mariposa que sirve para regular el caudal (2) así como con un aparato de medida de caudal (3). Se dispone también de un mecanismo que inclina el canal (5), y que incluye una escala indicadora de la pendiente ajustada. La instalación también tiene una caja de mandos (9) donde se encuentran los interruptores eléctricos necesarios para el funcionamiento del canal. A lo largo de la realización de la práctica se van a acoplar una serie de elementos adicionales al canal hidráulico. Estos elementos se describen a continuación y se muestran en la Figura 1.2. •

Palpador de nivel. Sirve para medir el nivel de agua a lo largo del canal de ensayo. El sistema de medida se puede desplazar a lo largo de todo el canal y fijarse, mediante los bornes de sujeción, en una posición determinada para realizar las medidas requeridas.

•

Presa de rebosadero. Es un elemento que se interpone en la corriente de agua del canal y que servirá para representar el comportamiento de las corrientes aguas abajo del dicho dique. Este elemento debe atornillarse a la placa base del canal modular.

Área Mecánica de Fluidos. Departamento Tecnología. Universitat Jaume I Manual de Prácticas de Hidráulica Aplicada

4

Práctica 1: Estudio del flujo de fluidos en canales abiertos

•

Vertederos de labio fino. Son unas placas de material plástico que se colocan verticalmente en el canal y que lo abarcan en toda su anchura. Su uso principal es el de medir el caudal que circula por el canal. Se dispone de diferentes geometrías de vertederos: plano (aireado y no aireado), triangular, rectangular y trapezoidal. La instalación de estos elementos conlleva dos pasos: fijación del porta-vertedero al fondo del canal, y la fijación del vertedero seleccionado al porta-vertedero.

•

Canal Parshall. Es un aforador constituido por una sección de convergencia, una garganta y una sección de divergencia. Las paredes del dispositivo son transparentes para permitir la observación del flujo.

•

Compuerta de segmento cilíndrico. Es una estructura hidráulica que se emplea para el control del flujo en los aliviaderos de diques y presas. La compuerta se puede acoplar al canal y el ángulo de giro puede ser regulado. PALPADOR DE NIVEL

PRESA DE REBOSADERO

VERTEDEROS DE LABIO FINO

CANAL PARSHALL

COMPUERTA DE SEGMENTO CILÍNDRICO

Figura 1.2. Elementos adicionales a acoplar en el canal abierto.

Área Mecánica de Fluidos. Departamento Tecnología. Universitat Jaume I Manual de Prácticas de Hidráulica Aplicada

5

Práctica 1: Estudio del flujo de fluidos en canales abiertos

La práctica está dividida en varias secciones. En una primera parte se trata de medir la profundidad del agua a lo largo del canal modificando tanto el caudal de la corriente como la inclinación del canal para estudiar los conceptos de energía específica y caudal crítico. En una segunda parte se hará uso de los vertederos de labio fino, el canal Parshall y la compuerta de segmento para comparar los caudales medidos experimentalmente con el medidor del canal (3 en la Figura 1.1) con los caudales estimados teóricamente para cada uno de los elementos interpuestos en el flujo. Por último se empleará la compuerta de segmento para estudiar el fenómeno del resalto hidráulico. Desarrollo Teórico Se considera un canal abierto a un conducto con una superficie libre, que siempre está a presión atmosférica. El flujo en canales abiertos tiene lugar en ríos, arroyos, acequias, desagües, etc. Para los casos en los que el canal abierto sea horizontal o tenga una pequeña pendiente, se puede aplicar la ecuación de la conservación de energía de Bernouilli entre dos puntos de una misma línea de corriente (Figura 1.3): v12 v 22 z1 + y1 + = z2 + y2 + + h12 (1.1) 2⋅ g 2⋅ g donde z es la altura del fondo del canal, y la profundidad del fluido en el canal, v la velocidad del fluido, g la gravedad y h12 las pérdidas por fricción entre los puntos 1 y 2.

ENERGIA TOTAL DEL CANAL

Figura 1.3. Definición de variables en la ecuación de la energía aplicada a un canal abierto. Partiendo de la ecuación 1.1, usando la ecuación de continuidad (1.2), y definiendo q=Q/b (donde b es el ancho del canal): Q = v⋅A (1.2) Q q = = v⋅b (1.3) b q2 q2 (1.4) y1 + = y + + ∆z + h12 2 2 ⋅ g ⋅ y12 2 ⋅ g ⋅ y 22 Partiendo de la ecuación 1.4, se define la energía específica como: Área Mecánica de Fluidos. Departamento Tecnología. Universitat Jaume I Manual de Prácticas de Hidráulica Aplicada

6

Práctica 1: Estudio del flujo de fluidos en canales abiertos

H (m.c.a ) = y +

q2

(1.5)

2⋅ g ⋅ y

2 1

La ecuación permite calcular, para un caudal fijo q, la profundidad del fluido en el canal (y) a partir del dato de la energía específica y viceversa. La representación gráfica de la ecuación 1.5 se muestra en la Figura 1.4.

Figura 1.4. Diagrama de energía específica. El diagrama anterior muestra que para una cierta energía específica por encima de un mínimo (por ejemplo H3=H4 en la Figura 1.4) existen dos profundidades alternativas. Podemos también comprobar en el diagrama que para cada q existe una profundidad y, que hace que la energía específica del canal sea mínima. Dicha profundidad, denominada profundidad crítica (yc), se puede calcular igualando a cero la derivada de la ecuación 1.5. De esta manera se obtiene la expresión: ⎛ q2 yc = ⎜ ⎜ g ⎝

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

1/ 3

(1.6)

Asociada a esta profundidad crítica aparecen también las definiciones de energía mínima (Hmin) y velocidad crítica (vc): q2 v c2 3 (1.7) H min = y c + = yc + = ⋅ yc 2 2⋅ g 2 ⋅ g ⋅ yc 2 vc =

q yc

= g ⋅ yc

(1.8)

El número adimensional de Froude (Fo) sirve para caracterizar el tipo de flujo, y queda definido como: v Fo = (1.9) g⋅y Flujo subcrítico si Fo1 Haciendo uso de las ecuaciones 1.7, 1.8 y de la ecuación de continuidad, podemos redefinir el número de Froude como: Área Mecánica de Fluidos. Departamento Tecnología. Universitat Jaume I Manual de Prácticas de Hidráulica Aplicada

7

Práctica 1: Estudio del flujo de fluidos en canales abiertos

Q = v ⋅ A = vc ⋅ b ⋅ yc = v ⋅ b ⋅ y Fo =

v g⋅y

=

vc ⋅ yc y⋅ g⋅ y

=

g ⋅ yc ⋅ yc y⋅ g⋅ y

⎡y ⎤ =⎢ c⎥ ⎣ y⎦

3/ 2

(1.10) (1.11)

De esta manera se puede también caracterizar un flujo dependiendo de la profundidad y en función de los parámetros definidos en las ecuaciones 1.6, 1.7 y 1.8. En caso de que y>yc, el flujo será subcrítico, en caso de que y=yc, el flujo será crítico y si y