Prácticas de Hidráulica de Canales
September 3, 2022 | Author: Anonymous | Category: N/A
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UNIVRSIA ACIONAL TÓOM ÉXICO ACULTAD DE INGENERÍA
PRÁCTICAS DE HDRULI HDRU LI DE NALE
Arturo Nava Mastache driana Cafaggi Félix Jesú Gllgo Silva Rymundo Herr Cávez Maco Anonio Peña Raírez Ignacio Rmero Cao Marcs afael Ocmpo Heedia Vadez Izaguie ucIsis Ivee San Henánz Nike Nora Ocmpo Guerrero exi López Mone
VSÓN DE NENERÍA VL, OPOGRÁFCA Y EODÉSCA EPARAMENO DE NGENERÍA HDRÁULCA
NAVA M Ao Práctics de hidráulic de cnles Méxo UNAM F Igí 2002, 59 p.
Caja 06-A
FCULTO DE INGENERIP
11 11 1 11 1 1 1 *67
G-
2729
rácticas de Hdáulica de canales
Prohibida la reproducción o transmisión oal o parcal de esa obra por cuaquier medio o sisema eeróio o mecánco (incluyeno e foocoiado, la grabaión o uaquier isema de reuerain y amaceamieo de informacin), si onenimieno or erio e edior. Derecos reservaos. © Fa e Ingenería, Uniersia Nacional Auónoma de Méxio Ciudad Universiaria, 41 México, D.. Priera eición, enero
Impreso y eco en México.
11
PRESENTACIÓN
El Laboratorio de Hdráulca de la Facltad e Ingeniería tiene como na de ss fncns apyar a nsñanza a hrca ant prctcas aratr, n as cales se procia q os almnos que cursan la carra d ngenero cv tegan cotacto con os fenómenos hrcos realano xermentacón q es rmta simular el comportamiento d aga
Cada na e las ses rácticas cotiene concetos ndamntales sobre el xrmento qe se reaiar se estrctraron n oco artes: objetvos, antecednts, stmetos de medicón, esarrolo, eoria de cáclo, cuestonario, concusions y comntaros. s importate mecOnar qe estas práctcas rprsentan trabaj de constantes revisioes eoras e rante más de semestrs ha ralao rsonal académco e e aboratorio
Se agraece a la Udad de Apoyo tora a Facta de Ingnría a cón d estas práctcas y en especia a la Mtra María Cuarán Rdía, ea e a Una; a a Sra Anrea Aaa Heáne por las rvsones e catra, rdaccón, tpograa y fo1ato; a a Srta a María Sánche Tée or foato a tporaa e txto y a a Sra Angéica Tores Rojas por a eaboracón e guras
ARTURO NV MSTCHE
PRCTICA 1
FLUJO A SUPERFIC LB
OBJETIVS Observa el comportamento de uo a spercie bre medir los trantes en difeentes seccioes Calcular los elementos geométricos, la energía en cada c ada seccón clascar el ujo.
NEEDES E ovimento de n líqdo a spercie ibe ibe se afecta po las sguientes erzas: de vedad como la más mportante, mportante, e resstencia al ujo,de presión y la de viscosidad De acuerdo con su orgen, los canales peden ser natrales natrales o artcales l jo en u cana naral escure dentro e lo qe se laa cace, cace, prouci proucido do po po el movmient el aa tiene om dimensoes qe vaía cntinamente con el paso del tiem Ls cles aticiaes atici aes tenen, po lo geneal seccines geométicas de fo foma ma dimens dimensines ines cnstantes en tramos más o menos largos
lementos lem entos geométricos de un cana Se dene la pendente ongnal S0 como el cocente el desnvel la dstanca L que los sepaa,es sepaa,es decr,S0 decr,S0
=
se 8; ndo el ánglo 8 es peqeño,sen 8 tan 8,es decir
S0 se aproxma a la pendete geométca
CC 1
T
A
\
d
-
p
FIGU Elmnt géric y pni un caa
Los elementos geomérco á iprtae de seccón se descben a contnucó: Tnte. E l dstanca d perpdicr a a lntlla, medd esde el punto más bjo de l secón hsta l suerfce br de ga, vése fgura Se desgna l stnc vertcal desde superfce ibr a pu más bo de a ección, por lo que d cos e Cuando e áng r ia q : y mentos geométrics se calculn con , s e> so e dtria c d. =
Áe hruca. Es el área A cpada pr e ujo en la seccó del can. Ancho de l uerfce ibre. e ac T de l eccón del cnal, meddo l nvel e l suefce lbre. Perímero moad. a ogiud P d a ne de contacto entre e gu y s ree el cnal, no ncluye a superfc ibre. Ro hdráuco. el ccene e áre drulc e perímetro mojdo, Rh
=
A 1
Trante me o trant idráic. a relacón A/T entre e re hdrulca y el ncho e l superfce ibr.
fó fujos
on eecto l temo: es ·ermanente cuno sus crcterístcs, or ejemlo, res velocd, no vrín con el iempo, por o cul tos dervads prcles con resecto l 2
LUJ A SUPERFIC LIBR
iempo son nulas S cupl qu la aclraión oca es igual igual a cro, a at =O Por contrao, s dic que s no annte cando ss arerísias vaía fe ansre el impo, por lo c ual c ual las aceaiones locaes iene n valo disio e a at o Con rscto rscto a spac: s u cuando sus aracrscas no no cban d una sión a otra, po lo qu as radas as conns co nns rsco a la dircción dl movimio son nas, s dcir, qu as acracins cvectas so uas a cro, a 1 as =O (s es a ooenada cvilínea que sig ue sig ue e je e aa aal;l; can canoo el cana canall es reo se osm lam x a la coordenada rclína qu sigue ese j). En amio, es variao ao ss ss aaerísias camian e scción a scció, a a as - O Cuando e gaso s consae e o pede sr gradualmn o ráidan vaiado, vaiado, cuando gaso no s consane a o largo del canal ujo s saca ariado. Según las rzas viscosas, viscosas, s as rzas vsosas prdomian sor las nercia, e jo es laminar. Por el conrario, si las rzas e inercia son as q ue q ue preominan sore s visosas, ujo es uruleno Exs una zona de ansición ond amas rzas iee imporania. La lasicación se hac n ción d núro Rynols, que para anaes se calcula Re V Rh l Cand Re < 500 a 6 uo s lainar, cuando 500 a 600 < Re < 50 s ncua zna d transicón, y cuando Re > 50 l uo es turlento =
De auedo con la prpondanca d la erza de grada: l núero e Froude rlaciona erza de ineia ent rza gada, y paa canals s n V g A T Si a erza e inercia y la d grada so s o guales, Fr , y l uo sá n régn críico, e ano s Fr < uo scu scu n éimen lnto o sucrico y a rza d gravdad gravda d mayo qu la d inerca cabo, s > el u scurr n rén surcrco =
Ecución d ní n cn
La nergía por uniad uniad so caga o H n a sccn d un cana, c ana, ara un ujo unidiensional unid iensional ncorsb s P v2 z+-+ g Y
.
3
PCTCA 1
V' 2g
a-
Superfcie libre H
z
��
FIGUR . omnenes de crg crg tot H e u c
donde es la carga e posición, es la caga de resión y aV2 1 2 e la carga carga de velocida. En ujo ectilíneo la carga pizmétrica + pl en el centroide de la sección transversa es gual a la carga iezométrica n calquier otro uno y se acosumbra medi la eevcn y la caga de resin en la plantilla del canal, vase gua La carga de presión s calcla co a exesn e canales de fondo recto; cuando e ujo es curilíneo, a itrició e prsines en la sección no es lineal, éas gura 3 En ujo cóncavo las rzas trígas son descetes aumentando la acción de la gravedad, de tal maera que la resión es mayor que la hidrostática resulante de un ujo aralelo Cuando el ujo es convexo la presión reulne en la lantilla es menor que la que se resenta n el ujo aralelo
4
FLUJO A SERIIE IBRE
Dependiendo del tipo de curvatra, rga de resión se clcu la on l eu 3 en la cul rm = (r + rA 12 e e do medio. En el térino de la carga de velocdad a V 21 2, a es el coeciente coeciente de Coriols e ul corrige el efecto de a dstribucón ireuar de d e ls velocidades en la sección. Cuando e ujo e tubulento se pued puedee considar
a �
l.
p = d cose= y cos8
.2)) (.2
(.3)
Centro de
0
/uvata
•
1
,. '
_,
e
z
o
z
Pl rfr rfrncia_ ncia_
L
_
l fci
Ej cónco E conxo conxo FIGURA 3 Disibi d pss ls d INSTRUMENTOS DE MEDCIÓN a) Flexómetro b) Cronómetro e) Linímetro
5
CTC 1 DESAOLLO DESA OLLO Se usan dos canal m c ra.
Canal de fondo recto, seccón rctangular pi nua a) Establc n g Q, mi ah b del canal la difrnca difrnca d nvls fh n el anómto difci af b) Localiz as cco 2 g iba y agas abajo d la la coperta medr ls lontuds L1 L dd cmr hasta cada scción, véas gra
Medr n cada ccón lo vl l la superc lbr del aga ZP d la plantla
d) Smrgir l bo Pitot oddad de 0.6 , mdida dsd la sperci lbre i n a scco i g vlocidd hv = v /2g. mdi md
Q
ls
1
hv
= / 2g
¡. b �
�'
0
1 1 1
y,
7 /// L,
/ 4
/
/7 //
L
FIGURA 4 anal rectangu con pendiente nula nula c Canal de fondo rcto, seccó tpcal co co cubeta d lanzamento como estu estuc temnal ) Mdr l anc b l cal mda las dmnsone a a d los catetos del vrdor y la tar dl v lra· tablcr gsto mi iv a sperc ib v aas arrba dl vertor Establcr f Es
6
FLUJO A SPERICIE LIBRE
g) Localizar las seccones 3 en a rápda 4 en la parte más baja de la cubeta o o véas fgura l. medir a longtud horional L entre ellas h) Mei en cada seccó los ees s de la serfcie libre del agua P e la latll. i)
Observar clasfcar el uo en el canal oletor antes de la rápda
b = 0.14 m k= 5 e= 95° radio d curaura curaura d la cuta r, = 0306 m
FIGURA 1 C pi pi fr y b mi
Modeo de cauce natu j) Medir las car �ríscas emércas la ta del vertedor triangular k Esablecer un gaso medr e vel de l serfce lbre del agua s aguas arba el vereor ,
1)
Localizar la seccón 5 en cau, medr los nivees s de la superfcie libre del agua P e la plantlla La bametría de a sección se proprcona en e aboraoro es simlar a la que se muestra en a gura
m) Sumergir el tubo Ptot a una e 0 , medida desde la superfcie libre medir la carga carga hv =pondiad de de velocdad v 2 /2g
Ancho b (cm
FIGRA 6 Só r m 7
CC 1 MEMORIA DE CÁLCULO Para cada canal a) Calcular el gasto Q. 512 , don S el aforo foro se se hz hzo o on ve veteo teo ian iangu gular lar C h512 onde de páctca Vertedores de Hidráulica básica referenca 1). =
h
=
S el fo S foro ro s eal ealiz izó ó con con e i gm gm,, el el gasto asto viene iene dado ado po po Q M est estáá en en cm cm e e H y Q se ob obie iene ne e 1/s.
=
lsv - ltara
12.39 2.39
(co cout utar ar a
th
dondee dond
Para cada seccn b) Calular los tantes y
=
[S
-
l yd
=
y cos
Deternar los elementos geométicos A P, h T y AIT Para el aue naual eplear la atmetría de a seó qe se oocona en e laoratoro. z. En el me canal cosdea el plano horzontal de reerenca d) concdendo alular la elevaón on la lantla En e segndo canal consderar la plantlla de la seccn 4 oo el plano hozonta e reeena, y con la pendente 0 y la longtud L3 calcular la elevacn z de a seió 3. En modelo de ae natural consdera z = O en la seccón 5.
e alcula alcula la caga e esión esión p/ emlear a ecuacin 1.2 o 1.3 según sea el ujo rectlíneo o vileo.
f alcular la velocida meia arti e gaso aforado, V = Q 1 A y la corespondete carga de velocdad V 2 2 . ara las secces , 2 y 5 calcular la velocdad putua . g v y coma on a velocidad eda e se deten en cada una de ea v =
seciones g alcula aga to H h etemina etemina os númeos e Rynos Re y de Froude Fr
lascar el to de uo e ada seccn en: ana o rlento, subcríto supecríto o ítico; y o go de·anal en uniorme o vaiado. lsfcar el ujo e el canal coletor ante e ia.
j j)) Se sugere esenta os esados en na tabla como la sguente
8
LUJO A SUPEICIE LIBE
ccón
z
y
d
V
m
m
m
mis
V
V2!g
pl
H
ms
m
m
m
Re
F r
1
k) Para el canal de fondo recto y peniente nula, relizar n croqus q ue q ue ncluy: La lantill color r. La superce libre del e color z z La líne de la enerí en clo verde. El horizonte inical de enerí e olor rojo
TNA
F A AC CUL T Df 1N r
•
El cuestonaro tendrá de cico diez diez preunas reacionds con el desrrollo de práctca Las preuntas varirán cda semeste
NN
ncar las conclsiones haci - La vrición vrición de l c c piezométr piezométrca ca cn respeto respeto l sperci sperciee libre, seún el eje eje del cnl (rectilneo ectileo o pendente myo 8° y cvilíeo La imp impor ort tnc nci i e lsi l o e un cnl - El so de los lemen lementos tos eométios eométios en el álcl álclo o de los prámetros empledos en hdrálic
MNTA
Prncpalmente sobre el desrrollo e imprticón de l páctic
9
' D I A
T2 ERGÍA SPCÍFICA
OBJTVO Observar y analizar el efecto que prduce n cambo loca de sección sbe ls iants. Aaizar el cmprtamieto e uj y otener as curvas de energía especca-tirante y gato untaritiate.
NTDNT nergía específca La eergía especíca se dene cm la energía pr unidad de peso que ue a través de u seccó da, medida cn respect fondo d caa.
(2.1)
Cuado 8 � 8 y
a =
1 y n V
=
Q 1A
2.2)
Cuo e gast a geometría de a secció svera so cotates, a erga espí es cón excusivament del tirante, y de a cació 22 se uede obteer a curva E qu se muestra en a gura 2.1.
PCTCA 2 Régimn subctico
Y
Régimn prcríco
E IGUR . uva a spcfca-ia cdo l aso la oa so cos En esta curva se muestra que para una deteriaa energía esecífca, existen os vlores el trante amados tras atrs, ue proorcioa esa misma eergía. E e to e se locaiza la menor energía eífca mtn co a e ede ir e gasto a través de a secció aa a cua exe u s vaor de rate, llado trante crítico e , a veloci es V = V e , e úmero d Frud, e régimen es crítco Cuado e tirante y > e V < V e Fr < e régme e subcrítco; si y < e V > V e Fr > e régi es suercrítico. Coocos e asto a mra e a secció trasvesa, e trante crítico se cacua a partr de a ecuacó geera de régme crítco 3
En canaes e seccó transvera rectaguar se efe e gasto uitario q = Q 1 b, oe b es e acho e a panta para eta geometría, e a ecacó 3, e tirate ctico e s determina con
Y =3 g e
(2.4)
de a ecacó e a · u aa rectaar a eerg específca mia í :
1
NÍ SPCÍC Emín
3Y 2 c
(.5) (.5
de o ostte
)'
C o}
?7 ' y
1
y'
ó:
.
FIGURA .
.
Variación de nivel ebo a a prsa un sl
Cuando se tiene n se escalón save ascendete (e yca produ e unaasto, pérdda d rg hr desprecable), como mesta en la fura , se conon a geotrí desnil & y el tirante en sección 1, e trane en a secin se pde auar a arr de la ecación 2 266
+
v I
2g
Y
v + �z
(.6)
2g
Es deci, = + & e tiante en la secn depende de rgmen de ujo en a scn ; s esá en rimen suctico, e tirant 2 tambn se prsnta en rmen subcríto or contrario, cuando ' está en rgimn surcrtco, ' tambin lo está. La elvacn · E tirnte desps del escalón depende de las & tine como lmite 1l = -
condiciones aus abao. ,¡
v
i
ial .
/
FIGURA .
t
;
f
Perf l uj o re un mra acent-escendente
�
PRCTICA 2 En la gura . 3 se muestra l pfi d d uprc lbre el agua cuano se pres cambo e régmen e subcítco o bo a un umbral ascenene-ecnt y en cual se consera En la se seccción j to to ag u ag ua a b b d d m m l ti tite es Yi ni c ai t y la energí í es p pcf fcc s E i ni c at éie u p pecít ecíto tr tr al fnal fnal el u ubral ebio a qe i ; el éi aba jo no no hay hay o otrol trol que que po povq vq é égim gim s sí ítco tco.. En calquer seccón sobre el , levacón & se cumle
(.7 E la seccón al one & cosera pérd e en.
O,
especíca es gual a la ncal ya qe o
anal de anco vaiable Una transcón en que cab l h d l eccón ero no el nvel el ono y l gsto total se mntee constate t mo e energí epecíca tambén costate empe y cno cno la transc v y pea conserar E cualquer ecó la enería especíca Ea es ot E la gura 4 se muest ar o ncalmente e tee u E untaro 1 Q 1 b e la s ; ó el gasto untro es = Q 1 b• Al plantea la ecuacón e l ls seccones y al no exstr esnv e plntlla plnt lla y conserao hr: O i E1 E2, es ecr que la energía especíca o aba y se tene u proble d íc Ea costante
E
+ y q2g
Despejano el gaso unta d l i
=
4
(E a
-
.8 (.8
2. 8
y)g
(.9
NÍ SÍ C
�
.{ /
/
1
-
l7
lll
Plt
Yc
Perf
FIGURA 4 duió g ho En la fgura 2.5 se muestra la relación gráfa . Se observa que existen dos vaoes del irane que s pueden presentar para cada gaso unitario El máximo gaso untario que e presenta con la energía especca 0 mplia e anho mínimo bmín al que se puede redu la eón, el tirante que se presena con má e Conoido , paa la sein eauar ala n la expresión 2.10. Se obea u e an en a sn 2 dd d régien de ujo en la sección 1; si 1 á en égen subo, e rane 2 aén peena en régimen subrtico, por el cona, cuando ' esá en égmen supro,
' 2 2
ambin lo esá. El rgimen de uo desps de la reución depende e las ondiones aguas abajo
2 =
3
(2.10)
q
IGR 5 Cuv -y p Ea os
1
C 2 CT CTC INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN
a) Flexómetro b) Manómetro diferenca de eco e) Lmnímetro
ESARROLLO '
Esa prátia uenta co do veioe qe s an atado, a rmera se tene un umbrll y psterirmente se edce e acho del ana; ' e umbr e la segunda versión, se tienen s brales. umbrales. um dcció im cso o umb p p
a Veriar que a edente de caa ea nula, eede las bomas ue almentan al mdel y estaee gato e emta observa e desnve de a suere ibre el aua sbe el esaón b Afora e gasto, ara eto medr e e desv desvel! el! h en e manómetro manómetro difeenal cerrad el daagma
1\
3l
1
4)
bl.
(5
6)
(7
8
9'
l
Plant .
IY
.
T �
Perf FIGURA Prfl dl ujo dbido a un m rducción con cambo égmn
e) Idetc ic e e ca eccoe eccoess 1 a 9, egú a gura . 6
d Med e cd ecc ve de erie e de ata e Med e cho b; e caa ecc 6
NÍ Í Apagar la bomba y cera vávu de alimentación.
Sgundo caso. Canal con dos ambio d réi l so
C
l J
@® 0 h,
: ' � t
f
·
1 . ) '
FIGURA fujo dbio os
a) Vricar que a pediete pediete sea sea a, encener a bmba qe alimetan alimetan al moelo y estabecer gs emita berar l niel e la percie ibre aga bre el ecalón b Aforar el gasto, para esto e dsniel ! h en el manómetr iferencial cerao el diafragma
e) Idetcar y bicar e e ? oe 1 a 9 egú a gra 2 d) Meir e cad cad secció os v de serci ibr y pantilla. e) Meir l ancho b e ana Apagar la bomba y cerar vávu de almentació.
MEMORIA DE CÁLCUO
Primr caso. caso. Canal con es aón p rducci a) Calclar el gat qe ircu e canal canal cn la igint rlcón: Q
=
39 �
n ! h e ntrce en c e Hg y e btn n 1/. b)
Derminar e enie de 2 con rpct a la ección 1, ! Z_
- 17
RCTIC 2
b) Determina el desnvel de la seccón 2 con respecto a la secón 1, � z 2_1
=
e Pa cada seccón, calcua El trante exemental y
=
ls - l P
La eergí específca E (ecuacón 22 E asto unitario q¡
=
Q 1 b¡ en m3 /s/m
número de Froude Fr y clasicar el régien d) A part de la negía especíc calculad on e tante expiental en a secc , y el desnel & 2 2 medido en el laboatorio car E 2eo• ecci 1 y prr e este valor determinar el trante teóico y 2teo e eccin (ecacin
( E 2eo - Y2 Y2e e
+
q2 2 22g Y2eo
( 1
D los dos valoes ositvs que se otenen pra el trante a artir de la ecuac , ndicar ca es el correcto y comaarlo con e rae y 2 que se midió en el aboatoro e) Calcular y gaca la cuva Ey ue corespnde a q, roponer valores para el rae , incluyendo Yc (ecuacón 24 y obtener los aores corespondientes de E a prtir de ecuación 22
f Ubca se l curva teórca calculada en e ncso anteror los puntos expermee y ¡ E ¡ de las seccones 2 3 4 y 9. g) Calcula y gaca la cuva cuva qy con l ecac 29, consdeand E4;x p E0 Ic e tirantee críto correspondiene a la condic de energ tirant energía ía especía ostae e 20 =
h Obtene de a cuva qy los valoes teórios de los tntes correspondentes a o q meddos y compaalos con ls trantes medds (inciso e. e ciones ciones e las s e e e negía ent e pérdda rdda d d e alc ular ular la pé i) C alc
4
lz ar ar s es c orreto y 9, ana y ana lz
consideala desrecable
( 1 133
8
ENRGÍA SPCÍFICA egundo caso anal con dos escalones cmbo de rémen en el segundo a) Vericr que l pendiente del cna cna sea nula, enender ls bombas que liment modelo estbleer n gt ue ermit observr e desivel de l supercie lie l agu sobre el eslón. ) Aforar el asto pr p r esto medir el desniel h en e manómetro diferencia crao diaframa
e) Calclar e gasto ntrio q
=
Q 1 b en 3/s/
) Pr cada sección, clclr E tirante experimentl y
=
l l
La enría especíc E (eución 2.2. l número de Frude r y lscar égimen e) A partir de l energí lld con con el tiante experimntl en la sección 1, y el esi z2_1 medido en el labortorio calcua Eo' (ecuacin 211 y a artir d est ao determinar e tirnte teórico yto en la sccón 2 (ecución 2.1. De los dos aos positios ue se obtienen pr el tirnte inicar cuál es el correcto y explicar or qé
f Calcuar l pérdid de energí de 1 3 a partir de os valores medidos y naza s s correcto considerarl desprecible ( 2.13 ) ) Deteminar pa las seciones 5 a 9, el desnivel con respeto la sección 4,
l l fi- p p h acuar y gracr la urv energí esecíc trnte E-y (ecuación 22, para el asto unitrio q y ubicr en el msmo plno os punto expermentles (E Y; determinados n el inciso k. =
UTOO cuestionario tendrá de inco de preuntas relacionads cn el desrrollo de la áctica Las reguntas varirán d semestre
19
PRCTICA2 ONLUSONS Enfocar las conlusiones haia La utilidad de las urvas E- y q. La ferenci entre los valores teórcos y o exper imeaes. La mportnca de onoer el régien e jo.
OMNS Azar el desarrolo e imprticón de páctc os ctore qe ye e e procamento de aluno
20
P 3 SALTO HIDRÁUICO
BJEV Establecer oservar un salto hidráuico, vercar el cumplimieno de la nción momentum nalizar
e coportamento e los diferentes tipos e salto iráulico.
NEEENE E salto hiráulco es un enómeno local, en el cua se eva a cao un cambio de régmen supercrítco a subcrítco. Seún eviencia expermental la transferenca de régimen supercríco a sucrítco ocurre en form brusca, acomañaa e ucha turulenca y grn péra energía. E camo ocur con ertes pulsacones gran nclusón e re Las péras por frccón son nsgncanes comparaas con las pérdas deds a la turulenca. cao e rn s esarrolla en un ramo relatvaente corto es por tanto un caso e ujo ráante varao Algunos uores consern s aecuao el nomre e ona estconara que e e salo hidáulico, este nombre se ee a que las partículas e agua tenen un movmiento coo el de una onda gatora abajo e reono supeca que se fora aemás, el remolno es estaconaro, ebido a que la corriente misma en el extremo aguas arrba del salto remee constantemene contra e aua suercal ue regresa sn exstir movmento el cou hca aguas arrba. Para e anáss e es enno se aca e rnco anta e ovento, a un volumen e contro vase ur 3.1 ajo as sguens tess:
PCTIC 3
T
1
l.
F,
L
b Seón tasvesa
a) Voumen de coto
UR q ú i égi
Canal horizontal y de seccwn constante, al ser horizonta no hay componente e a erza de cuerpo en la diección del movimento. Se esprecian os efecos de la fricción, ebo a la poca longiud del tramo onde s desarrola el sato, por lo que las erzas tangenciaes r son despreciabes. No existe ningún obstáco que caion una erza de empuje dinámico esde e eterior. Se considea que la disiución de velociades en las secciones 1 y es prácticaente uniforme por lo que los coecientes de Bossnesq /1 f l. =
=
De a ecuación de impulso y canidad de moviento en la dirección del ujo, se tine 3.1)
Las nicas eas que acúan n la dirección del moimiento son las erzas de presn hirostáica, que en cada sección se calculan con F =A ZG
(3. )
Donde, según se muesra en la gura 3:1, A s el área de la sección transversa, zG s a distanca desde la supercie libre del agua hasta el cenroide de a secció y y es el eso volumérico del aua usiuyendo la ecuación 3 con la ecuación 3.1, y al ser sólo s as secciones donde ay inercmio de candad d movimento, y desarollando los térmnos de la canidad de ovimieno de las seccones 1 2 se tiene
SLTO HDO
3) 3.3) (3.
De V= Q!A, diviiendo entre y y agrupando los érminos de la seccón 1 y de la sc 2
(34) En esta ecuación se observa que los térms aes y desps de la galdad so aág, pudiendo expresaros mediante la nción llada oet
(35) Para un gasto dado geometría de la secc asversal cotae, la c o ólo nción del tirante la reación e pede repeea gráfcamee o muetra en l fgura 3 2.
- - - - r"
de "•
y
¡
E
v'l2g
e
Y,
1
o
M
FIGURA Curv - Se obseva que para u valor de M, l cura iee dos posibles tirates ce el nombre de conjugado menor y mayor espectivamente, y ue de acerdo co l ecc 3.4 correponden lo tirante ats y despé del ato. l mínimo valor de la có ot mín le correponde el tirante cítico el cul oamee, o iee conjugado. De la ecuaión 3.5 se observa que la nció oet eá come de do ts: prmeo e la ca e movimeno del jo a ravé de l e l caa, l d e el emuje debdo a la presión esttica re l rea de a seccó trsvesal (as p 23
PRCTICA 3
unidad de peso volumétrico), volumétrico), algunos tores enominan a la nción M coo erza pfca. De a ecuació 3.5 e l 3.4 (3.6) Váia ara cqier geomtría, con las hipótesis ants mencionads. La pédida de energa debida al salto, se calcua plateando la l a ecuación de la energa ee las seccions 1 y 2 (3.7 y su ecienci s (3.8)
anal rectangula
La nción momm or ndd de ncho aa un canal de sección rectangular es b
De M
=
q2 g y
+
i 2
(3.9
2, co se c slt hidráulico en sección rectangular se llega a
(3.10) o (3.11)
S o o dspés d om om p p
U compert s stcr cntrol qe rodce r odce régimen subcrítico antes de a comuert y sprcrtc s sés és misa, si guas bjo existe otro control que roc régme sbcrtc, se rst l salto hidrc sués de la compuert. Según trte qe gere s cics gs bajo, el st se ee presentr omo se inica en l gur 3.3, by c.
24
SALTO HIDRULICO
®
=�=1 -------------'
a)
tE ' L E.
alto hidráulco hidráulco norma al pe de la compuera
b Salo hidrálco barrido
FIGURA 3.3 a y b Tipos de salto hdráuic después de una compuera
25
TA 3
C
Yo
y,
•
1
� Q
1
7
7 / / / 7 / / /
7/ / 7
/
) Dscarg sumrgid slto hdráuico ahogdo FIGUR 3.3 e p pé n p
En todos los casos el tirante al pie de la computa o tirante en la sección contraída s e, donde a es la abertura de la comt y C e un coeciente de contracció, cuyo y P a C e, valor varía de 0.6 0.61 1 a 0.62. Para determinar el C e cando la comput s na se puee emplear la ecuacin Benjamín (referencia 2.
2 (3.12 (3.1
a) Salto hidráulico noal o al pie de la comut. Al pi de la copuerta se presenta l tirante y P las condiciones agus abj mtn que l tirante y2 sea el cojug mayor del tiante y = y 1 . b) Las condiciones agas abajo bligan a qu l tinte tinte conjugao enor de y2 sea myo qe el tirante y P en la sección contraía y el salto hidáulico s dsplace hacia aguas abajo e) Cuando una secc10n aguas abajo prou l descarga de la compuerta un tint y > a la descarga es sumergida, si cga de psión el tirant y y l cag velocidad se calca con el tirante d la s caíd y P El chorro dscgdo p l copuerta queda suergido debajo ms d agua, cual aunque co
trbulencia, no tiene oviento en la di de ujo; esto se debe a qu el tirt y
2
SALTO HIDRUICO producido por algún control ag uas producido ag uas abjo es mayor qu l conjugado mayor de re e ó ó í ee v n e El trant y al i d la ompurta s a ue e ebe cumplir
2
q_
g Yp
M
M ero ero cn
2 313
2
El prm prmer er términ término o eo eo al amb ambo o en atdd atdd de movm movmento ento se se calul co con n el trn trnte te en la sec seción ión contraída contraída,, P eguo uo eb eb l r r e e preó, preó, e lul el rte y. P y l eg Al desaoll desaollr r la ecució ecució 3.13 n M 1 2 e lleg lleg =
4 De f, r é e eeí eó 37, e e á e 1 é e e ce e re eó e e P eem c de v
E¡
=
+
35
INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN
) Fxór b) Limetro
DESARROLO
á ez e Rehk, e e eiee . Md d e aco ) M
b de ca, ca, a ra lra cers geoéc e vee (B,
al' a2 ). ) e r a e xee ee e e u b.
27
TIA 3 e) Abrir la válvul de almentacón, estalr un gasto Q medr el nvl de la supr libr lsv auas aa dl vetedo. d) Con la ompueta d aguas ajo, povoar un slto slto hdáulco ado ado y mdir a rr d los nvls ls d la supc lb dl aua y l P d la latll, los tnts Yo s la compuerta, P e la seccó conaída, l tant conjugado menor l ran yor , véas gua 3.3 )
Mdir las longtuds Le desde la comperta hasta la sc10n contraída, L dsd la sn ontraída hast el tate conjugado mno la longtud L dl slto
Crrar ltmnt l sguda computa, provca un salto ahodo, md los ras y y véas gur 3.3 c ed la longd L del slto hdrálco
R D CÁLCULO a) Calclar l sto
=
C h5 dod h
ls
-
!raa (cosultr l prátca Vrtdors d
Hidráulica báca Salto barrido b) Calcula los tans
ls l P , e las sis O, 1 2 -
e) Calcula la egí especca E la ncón momntum coespondnts a ls trantes medos Coma con analza s es correcto consdera constant la ncón momnum d) Calclar l tate cítco c' su nrgía spcíca E cón momntum m mínín cspodnts. e) Calcula ca e papl mmétc las curvas teórcas E- - qu corspondn l gasto foo a eometí de canal, nclu el tant cítco los ants dids Detrmna ácamete la curva E- la pérdda de nrgía M dda al salo y calcular la ecenca l msmo (cuacn 3.8. 3. 8. ) lul l lotd mdda L dl salt hdrálco co u fóula mírca (rcias 2 y 3) ompaala co l ontud dda h) Duj escala el slto hdáulco, hdáulco, nclu la ompueta, los trants lonituds mddos n caal.
28
HD alt sumgid i) Calcular los trantes y 0, y y y2. j Determnar el coecente de contracción (ecuación 3.12) y a partr de és la aberra a e la competa, calcular el tirante en a seccón contraída y P a. =
k Determinar e trante teórco e ahogaento Yreo partir de a ncón mmntum par
salto sumergdo (ecacón 3.14. 1)
Clcular a pérdd de energí ! y la ecenc del sat hidráuco, tomando e cuea que la l a energía especíca en la scció 1 se calcula con la ecuacó 3 .15.
m) Determinar la ongitd L del salto hidulico con el criterio que se proporcoa laboratorio y cmparar esta ogitud co la a medda. n) Dibujar a escala el salto hidráulico hidráulico cluir la compuerta, compuerta, los tiranes y loius loius medios en e canal.
CUESTIONARIO El cuestionaro tendrá e cinco a iez preguntas relacionadas con el desarrollo de la prctica. Las preguntas vararán cada semre.
ONCUSIONES Enfocar las conclsnes hca - El uso del salto hidráuico como disipador de energía. - La dferencia dferencia entre entre os os valores valores óric óricos os y os experime experimentales. ntales.'' - E uso de secc seccones ones de cont control rol ara ara rovoc rovocar ar el salo. salo. - La diferencia diferencia de ecienc eciencias ias er er los saltos saltos barrido barrido sumeri sumerio. o.
CMENTARIOS Pricipalmente sobre el desarl e martición de a práctca.
29
PRÁCTICA4
FLUJO GRADUALMENTE VARIDO
OBJETIVOS Observar y edir perles de de uo en canales con pendientes posita y negatva. Calcular los perles de ujo y compararlos con los ya medidos.
NTECEDENTES E uo en un canal es gradualmente variado cuando el asto es constante y s rentn abis pequeños del tirante a lo largo del anal
Ecuación dinámca Hiótesis El j del canal es rectilíneo y su pndiente es constante, por o cua s c trbución hidrostática de la presón La istribción de la velocidad en ua scció es ja, por tanto los Criolis a y de Boussnes son constantes en todo el canal. La érdida de enería ás portant portant es la de friccón, por lo cual s onsra ndinte de enería S E , igual a la pendene de riccón S 1. Para el cál niente de fricción se iliza una ecuaión de uo uiforme
PCTCA 4
En la gura 4. se mustran las variabls q intervinn n l cálclo dl jo gradualment variao.
1 1
1 - - - : S¡ ' L'mea de energa 11 =� 1 �: � 1 v' a 2g l
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
-
-- ---- -
.
-
-
-
upecie libre
d os
1 1 1
J
z ¡ __ _____________
FIGUR 4.
________
de efeenca
lano
__
Re presentción e ibls ib ls l fujo rulment io
La cación diferncial de enrgía en n can d j rcto, con ánguo pqño tal q l tirant vertical y es aprximadamente igua iguall a irant irant dido dido prpendicular s
dH
=
(
J
d V2 zya +h =0 g r
Dond h es a pérdida tota d nrgía por nidad d pso y s dn la pndint d nrgía S E = h 1 nrgía Sustityndo a cación n a 4 s tin
(4)
3
FLUJO GRADUALMENTE VARIDO
Se dene la pendiente longiudinal de canl como So
-
�z
43
D 0 s 8 se consera postv s a ncinacón es descendente en a dreci de movimento; como z decrece cua x aumenta, dz/ Ye S Ye >
n
upercrítica, i e. S0 e tipo S pele crítca, Yn Ye S Se e perle tipo C =
3
FLUJO GRDUALMENTE VAADO
Cuando no es posiva se ienen os casos horizontal S0 = O; peres H aversa o gtva, D la casicación e rémn subcrítc cítico supercrco s tiene >e ' Fr s e Fr 1 si < e Fr > Sl
=
Para caa asto pniene, sección trasrsal rosia as neas que inican la altra e tirante norma (si a penient s sta) e rco respeco e la platlla, al espaco one puee esaroars l e ujo e res zonas amaas zona espacio arria e la nea superior; o 2, l spacio enre as os neas zona 3 el spacio bajo a nea nferor. Sún e po e peniene zoa lj los peres se cascan coo se muestra la ura Se observ ue e uns css ay zonas que no exsen, por eemplo, la zona en la que n ye uano a penit s cítica l zona par s penientes orizonta avrsa pues no se puee esablecr tane norm en penienes no posiivas =
Par caa ua las zonas se pu lar l so e dl la ecación ámca 4.6 a artir comarar con r c Cuao l so es potio siica q l pr e a supercie ibre e aga rg a pantla cuano e sino es egato coer con la patila cuan O e erl s parallo a la planta (j unform). =
ección e contro
La sección e u cana, en a que sa sbl establece una reació ni entre l nl la suprcie ibre aua el gst crsponiene se onoce como sección e cotrl Una scció e conro proporciona l tant i par e cácuo e per-e ujo grauaente Se procee ca gas arrba e la seccón e conro cuano l ujo es subcrco ovarao. haca auas abajo c s srcrtco src rtco
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35
Y c:? YY :? YY e
PCTCA
n
Perles en la zona 1 Pefis n la zona 2 Perles en zon 3 y>yn y>yc �
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= V '� ,s v : t, : a r .
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Nota: La echa ( ) ndca eio de cálculo
FIGUR 4.
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