RESALTO-HIDRÁULICO

UNIVERSIDAD SEÑOR DE SIPÁN

UNIVERSIDAD SEÑOR DE SIPÁN

FACULTAD DE INGENIERÍA, ARQUITECTURA Y URBANISMO, ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

TRABAJO DE INVESTIGACIÓN TEÓRICO-EXPERIMENTAL DE FLUJO GRADUALMENTE VARIADO

Alumnos Herrera Vasquez Yessenia Liñan Chappa, Nick Erickson Nolasco Tarrilo Samuel Puicon Herrera Katyuska Docente: ING. Zelada Zamora Moises Curso: Mecanica de Fluidos II

FLUJO GRADUALMENTE VARIADO 1

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INTRODUCCIÓN El presente trabajo consiste en el estudio de los flujos rápidamente variado y el flujo gradualmente variado, los cuales los podemos analizar a través de los fenómenos que se produces como el resalto hidráulico para el primer tipo de flujo mencionado y la curva de remanso en el caso de un flujo gradualmente variado. En este informe no sólo detallaremos aspectos teóricos, sino que todo lo estudiado será llevado a la práctica para confirmar la validez de dicha información y para entender con mayor claridad cómo es que se produce cada uno de éstos flujos y que es lo que los diferencia el uno del otro. Para poder llevar a cabo la realización de este trabajo que brinda datos teóricos y prácticos cabe mencionar que se acudió a diversas fuentes de información como: libros, internet, teoría explicada en clase por el docente el Ing. Zelada Zamora Wilmer Moisés y los resultados de la experiencia realizada en el laboratorio en la cual se contó con todos los instrumentos necesarios para aprender nuevos conocimientos y características de los canales.

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I.

DATOS GENERALES

I.1. NOMBRE Y UBICACIÓN DE LA PRÁCTICA: -

Práctica N° 1: Resalto Hidráulico.

-

Práctica N° 2: Curva de remanso.

-

Laboratorio de Hidráulica de la Universidad Señor de Sipán Pimentel-Chiclayo-Lambayeque.

I.2. HIPÓTESIS: -

Práctica N° 1: Siempre que se produzca una transición de un flujo supercrítico a un movimiento de flujo subcrítico, se producirá un resalto hidráulico.

-

Práctica N° 2: En una curva de remanso el flujo varía en forma continua, progresiva y lenta.

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I.3. OBJETIVOS: I.3.1. -

Objetivo Principal Generar de forma experimental un resalto hidráulico y una curva de remanso en un canal de laboratorio, de sección rectangular

y

fondo

horizontal,

para

analizar

sus

características experimentales y compararlas con las teóricas.

I.3.2. -

Objetivos Específicos Determinar la disipación de energía que ocurre con la formación de un resalto hidráulico.

-

Determinar el tipo de resalto estudiado.

-

Comparar la longitud de resalto experimental con la longitud obtenida a través de fórmulas de determinados autores.

-

Determinar la longitud de la curva de remanso y compararla con la obtenida experimentalmente.

-

Determinar los tirantes de variación gradual en la curva de remanso.

-

Verificar la validez de las ecuaciones que describen el comportamiento de los flujos estudiados.

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I.4. METODOLOGÍA: Ésta

práctica

de

laboratorio

consiste

en

observar

experimentalmente lo siguiente: Práctica N° 1: La formación de un resalto hidráulico por causa de una compuerta al cual se le tendrá que medir las alturas conjugadas (y1; y2). Práctica N° 2: La formación de una curva de remanso a la cual tendremos que analizar de forma gradual la variación en sus tirantes. Ambas prácticas se realizarán con un solo caudal. I.5. ALCANCE: Estos ensayos nos permiten simular la formación de un resalto hidráulico real y una curva de remanso en un canal de laboratorio; y a través de las mediciones hechas podemos obtener una serie de datos que nos permitirán realizar comparaciones con los datos teóricos y ver las características de cada uno de ellos. I.6. ALGUNAS FÓRMULAS A UTILIZAR: V  Número F gy

de Froude:

Ls=k ( y 2− y 1de ) Salto:  Longitud FLUJO GRADUALMENTE VARIADO 5

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

1 V = R 2/ 3 S1 /2 n Ecuación de Manning:

∆E

Disipación= de energía:  Disipación E1

Q2 E  y  de2 la energía:  Ecuación 2gA I.7. MATERIALES Y EQUIPOS:  Grupo de alimentación hidráulica básico (fme00/b).  Canal hidráulico rectangular  Cinta métrica  Marcador  Limnímetro

II.

BASE TEÓRICA Y DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS

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II.1. BASE TEÓRICA

II.1.1. Resalto Hidráulico El resalto hidráulico 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. También decimos que el salto hidráulico es un fenómeno que se presenta exclusivamente en canales, cuando un flujo de agua que viaja a régimen supercrítico, choca o alcanza a una masa de agua que fluye en régimen subcrítico; presentándose abruptamente el cambio de régimen, acompañado de una gran turbulencia, disipando energía y realizando una inclusión de aire en la masa líquida.

II.1.2. Características

de

un resalto

hidráulico

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Algunas de las características del resalto hidráulico en canales rectangulares horizontales son:  Perdida de energía: en el resalto la pérdida de la energía es igual a la diferencia de las energías especificas antes y después del resalto.  Eficiencia: la relación entre la energía especifica antes y después del resalto se define como la eficiencia del resalto.  Altura

del

resalto: la

diferencia

entre

las

profundidades antes y después del resalto es la altura del resalto.

II.1.3. Resalto hidráulico en canales rectangulares Para un flujo supercrítico en un canal rectangular horizontal, la energía del flujo se disipa a través de la resistencia friccional a lo largo del canal, dando como resultado un descenso en la velocidad y un incremento en la profundidad en la dirección del flujo. Un resalto hidráulico se formará en el canal si el número de Froude (F1) del flujo, la profundidad del flujo (Y1) y la profundidad (Y2) aguas abajo satisfacen la ecuación: Y1 1 = ∗[ √1+8 F12−1 ] Y2 2

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II.1.4. Lugares de formación de un resalto hidráulico Generalmente, el resalto se forma cuando en una corriente rápida existe algún obstáculo o un cambio brusco de pendiente. Esto sucede al pie de estructuras hidráulicas tales como vertederos de demasías, rápidas, salidas de compuertas con descarga por el fondo, etc.

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II.1.5. Longitud del resalto FLUJO GRADUALMENTE VARIADO 10

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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 los esfuerzos cortantes. Silverster (1964) propone una ecuación empírica para el cálculo de la

longitud

del

resalto

en

canales

rectangulares

y

lechos

horizontales relacionada a continuación: L=9.75∗Y 1 ( F 1−1 ) 1.01

Otras ecuaciones son: L=6 ( Y 2 −Y 1 )

L=2.5 ( 1.9 Y 2−Y 1 )

…. Pavlosky

(1912)

II.1.6. Tipos de salto hidráulico Los saltos hidráulicos se pueden clasificar, de acuerdo con el U.S. Bureau of Reclamation, de la siguiente forma, en función del número de Froude del flujo aguas arriba del salto (los límites FLUJO GRADUALMENTE VARIADO 11

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indicados no marcan cortes nítidos, sino que se sobrelapan en una cierta extensión dependiendo de las condiciones locales):

 Para F = 1.0 : el flujo es crítico, y de aquí no se forma ningún salto.  Para 1 > 1.0 y < 1.7: la superficie del agua muestra ondulaciones, y el salto es llamado salto ondular.  Para F > 1.7 y < 2.5: tenemos un salto débil. Este se caracteriza por la formación de pequeños rollos a lo largo del salto, la superficie aguas abajo del salto es lisa. La pérdida de energía es baja.  Para F > 2.5 y < 4.5: se produce un salto oscilante. Se produce un chorro oscilante entrando al salto del fondo a la superficie una y otra vez sin periodicidad. Cada oscilación produce una gran onda de período irregular, la cual comúnmente puede viajar por varios kilómetros causando daños aguas abajo en bancos de tierra y márgenes.  Para F > 4.5 y < 9.0 : se produce un salto llamado salto permanente: la extremidad aguas abajo del rollo de la superficie y el punto en el cual el chorro de alta velocidad tiende a dejar el flujo ocurre prácticamente en la misma sección vertical. La acción y posición de este salto son menos sensibles a la variación en la profundidad aguas abajo. El

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salto está bien balanceado y el rndimiento en la disipación de energía es el mejor, variando entre el 45 y el 70%.  Para F= 9.0 o mayor: se produce el llamado salto fuerte: el chorro de alta velocidad agarra golpes intermitentes de agua rodando hacia abajo, generando ondas aguas abajo, y puede prevalecer una superficie áspera. La efectividad del salto puede llegar al 85%.

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II.1.7. Aplicaciones En el campo del flujo en canales abiertos el salto hidráulico suele tener muchas aplicaciones entre las que están:  La disipación de energía en flujos sobre diques, vertederos, presas y otras estructuras hidráulicas y prevenir de esta manera la socavación aguas debajo de las estructuras.  El mantenimiento de altos niveles de aguas en canales que se utilizan para propósitos de distribución de agua.

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 Incrementos del gasto descargado por una compuerta deslizante al rechazar el retroceso del agua contra la compuerta, esto aumenta la carga efectiva y con ella la descarga.  La reducción de la elevada presión bajo las estructuras mediante la elevación del tirante del agua sobre la guarnición de defensa de la estructura. 

La mezcla de sustancias químicas usadas para la purificación o tratamiento de agua.



La remoción de bolsas de aire con flujo de canales abiertos en canales circulares.

 La identificación de condiciones especiales de flujo con el fin de medir la razón efectividad-costo del flujo.  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.

II.1.8. Flujo gradualmente variado El flujo gradualmente variado, es un flujo permanente cuya profundidad varía de manera gradual a lo largo del canal. FLUJO GRADUALMENTE VARIADO 15

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El flujo gradualmente variado se caracteriza esencialmente porque es un régimen de flujo permanente o sea que las variables hidráulicas en cada sección del cauce permanecen invariables en el tiempo, pero varían sección a sección, y porque las líneas de corriente se aceptan que son casi paralelas. Se puede admitir entonces una distribución hidrostática de presiones sin peligro de introducir grandes errores. El flujo gradualmente variado es aquel en el cual los parámetros cambian en forma gradual a lo largo del canal, como es el caso de una curva de remanso.

II.1.9. Perfiles de un flujo gradualmente variado En el análisis de flujo en canales abiertos es necesario predecir el comportamiento de los perfiles de la lámina de agua. Esto se puede hacer con un análisis del comportamiento de la pendiente de la superficie del agua en función de las variables geométricas e hidráulicas del flujo, como se analizará a continuación.

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Luego los perfiles de flujo se clasifican en trece tipos diferentes de acuerdo con la naturaleza de la pendiente del canal y la zona en la cual se encuentra la superficie libre del agua. Los tipos de perfiles se designan como: H2, H3; M1, M2, M3; C1, C2, C3; S1, S2, S3; y A2y A3, la letra describe la pendiente; H para horizontal, M para subcrítica, C para crítica, S para supercrítica y A para pendiente adversa, y el numero representa el número de la zona en que se localiza. De los trece tipos de perfiles de flujo, doce son para flujo gradualmente variado, y uno, C2, es para flujo uniforme.

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II.1.10.

Causas que proporcionan un flujo

gradualmente variado Podríamos enumerar cinco causas principales  Una variación en la pendiente del fondo del canal.  Un estrechamiento gradual en la sección del canal.  Una ampliación gradual en la sección del canal.  Una derivación del caudal (Q), manteniendo la sección.  Un aumento del caudal (Q), manteniendo la sección. II.2. DESCRIPCIÓN DE MATERIALES Y EQUIPO:

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 Canal hidráulico rectangular Canal de sección rectangular con paredes transparentes por el que se hace circular agua. El agua es tomada del depósito de almacenamiento mediante una bomba hidráulica y, por medio de la tubería, es conducida al depósito de entrada, donde se dispone un tranquilizador de flujo. Desde aquí el agua circula por el canal y descarga en el depósito de captación, retornando finalmente al depósito de almacenamiento, con lo que se completa el circuito cerrado. El canal está montado sobre dos soportes, con un sistema que permite controlar la inclinación del canal.



Grupo de

alimentación hidráulica básico (fme00/b). El equipo (FME00/B) es una unidad de servicio para diferentes equipos del área de Mecánica de Fluidos, tales como: Módulos tipo “FME”, Equipo de Fricción en Tuberías “AFT”, etc., lo que aumenta la rentabilidad del equipo.

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CAUDALIMETRO

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 Limnímetro El limnímetro es la herramienta adaptada para vigilar cuencas o ríos. El limnímetro o estación

limnímetrica es

un

instrumento que permite registrar y transmitir la medida de la altura de agua o de nieve (en un punto determinado) de un río, una cuenca. Generalmente las alturas se miden en metros o centímetros. La medida de la altura se puede convertir en estimación del caudal del río gracias a una curva de calibración.  Cinta métrica

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 Compuerta

III.

APLICACIÓN Y COMPROBACIÓN DE LA BASE TEÓRICA

III.1. PROCESO DE LA EXPERIENCIA:

  Práctica N°1: Resalto hidráulico. -

Abrimos la válvula para permitir el flujo sobre el canal. La lectura del caudal la realizamos en el caudalímetro el cual

-

está en (lt/h). Determinamos las características geométricas del canal.

-

Manipulamos la compuerta del canal adecuadamente para formar el resalto hidráulico aguas arriba.

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-

Con el limnímetro empezamos a medir los tirantes ( y 1;y2) del

-

resalto. Con la ayuda de un marcador y una cinta métrica,

-

procedemos a medir la longitud del salto hidráulico. Anotamos todos los datos correctamente para la realización de los cálculos.

  Práctica N°2: Curva de remanso. -

Cómo el equipo ya está en funcionamiento de la práctica

-

anterior la apagamos para aumentar la pendiente del canal. Luego de haber aumentado la pendiente volvemos a abrir la válvula para permitir el flujo sobre el canal. La lectura del

-

caudal la realizamos en el caudalímetro el cual está en (lt/h). Determinamos las características geométricas del canal. Colocamos una estructura en el canal que va a funcionar como un vertedero y va a permitir la formación de la curva de

-

remanso. Con el limnímetro empezamos a medir los tirantes (y 1; y2) del

-

remanso. Con la ayuda de un marcador y una cinta métrica,

-

procedemos a medir la longitud de la curva de remanso. Determinamos en cuantos tramos se va a trabajar el estudio

-

gradual y medimos los tirantes de cada tramo. Anotamos todos los datos correctamente para la realización de los cálculos.

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III.2. DATOS OBTENIDOS:

  Práctica N°1: Resalto hidráulico. PRUEBA 1

Q (lt/h) 5000

y1 (mm) 14.5

y2 (mm) 60.7

L (cm) 39

Base ( m) 0.065

Rugosidad 0.1

  Práctica N°2: Curva de remanso.

Pruebas

1

FLUJO GRADUALMENTE VARIADO Caudal (l/h) Tramos TIRANTES (mm)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

600

Base (m) 0.065

91.10 83.30 75.40 65.50 59.20 50.20 43.0 35.10 28.20 19.60 12.50 3.6

Pendiente 0.038%

III.3. CÁLCULOS Y RESULTADOS:

  Práctica N°1: Resalto hidráulico. PRUEBA

Q (lt/h)

y1 (mm)

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y2 (mm)

L (cm)

Q (m3/s)

y1 (m)

y2 (m)

L (m

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1

5000

14.5

60.7

39

0.00138

0.0145

0.0607

0.39

o A partir del (y1) y la longitud experimental vamos a calcular un (y2) teórico y el tipo de resalto. PRUEB Q (m3/s) A 1

0.00138

y1 (m)

y2 (m)

0.01 45

0.060 7

L (m) A1 (m2) 0.39

V1 (m/s)

F1 (Froude)

T1

0.0009 1.4736221 3.907217 425 63 0.065 972

Tipo de Resalto

0 OCILANTE

Y2 (EXP) VS Y 2 (TEORICO) 0.07 0.07 0.07 0.07 0.07

1

0.06

2

0.07

0.06 0.06 0.06 0.06

0.06

0.05

1

2

o Calculamos la energía en ambos tirantes conjugados y la disipación de la misma. Prueb as

Caudal (m3/s)

TiranteY 1 (m)

Tirante Y2 (m)

Área 1 (m2)

Área 2 (m2)

Velocidad 1 (m/s)

Velocidad 2 (m/s)

Energía 1

Energía 2

1

0.00138 889

0.0145 0

0.0607

0.0009 425

0.0039 455

1.4736

0.35201

0.1251 8

0.0670 2

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(

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Pruebas

Energía 1

Energía 2

∆E

∆E/E1

Disipación (%)

1

0.12518

0.06702

0.0581652

0.4646486

46.46

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  Práctica N°2: Curva de remanso. N Tirante º (m) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1

0.0911 0.0832 0.0754 0.0675 0.0597 0.0518 0.0439 0.0361 0.0282 0.0204 0.0125 0.0036

Caudal (m3/s)

Área (m2)

Espejo de agua (m)

0.0059

0.065

0.0054

0.065

0.0049

0.065

0.0043

0.065

0.0038

0.065

0.000166 0.0033 7 0.0028

0.065

0.0023

0.065

0.0018

0.065

0.0013

0.065

0.0008

0.065

0.0002

0.065

FLUJO GRADUALMENTE VARIADO

0.065

Perímetr Velocidad R.Hidr o (m) (m/s) áulico 0.0239 0.24720 0.0281 5 0.0233 0.23148 0.0308 7 0.0227 0.21576 0.0340 1 0.0219 0.20004 0.0380 4 0.0210 0.18432 0.0430 4 0.0199 0.16860 0.0495 7 0.0186 0.15288 0.0584 8 0.0171 0.13716 0.0711 0 0.0151 0.12144 0.0909 0 0.0125 0.10572 0.1259 2 0.0090 0.09000 0.2051 3 0.0032 0.07220 0.7123 4

So 0.04 1 0.04 1 0.04 1 0.04 1 0.04 1 0.04 1 0.04 1 0.04 1 0.04 1 0.04 1 0.04 1 0.04 1

Se 1.147 2E-05 1.419 8E-05 1.799 3E-05 2.348 0E-05 3.180 3E-05 4.522 3E-05 6.869 4E-05 1.146 6E-04 2.211 1E-04 5.456 8E-04 2.238 4E-03 1.057 7E-01

f(y) 24.2 6 24.2 5 24.2 4 24.2 3 24.2 1 24.1 8 24.1 2 23.9 9 23.6 8 22.6 4 16.8 6 206. 98

∆x 0 0.1 91 0.1 91 0.1 91 0.1 90 0.1 90 0.1 90 0.1 90 0.1 89 0.1 86 0.1 78 0.1 50

X 0.0 00 0.1 91 0.3 81 0.5 72 0.7 62 0.9 53 1.1 43 1.3 32 1.3 30 1.3 26 1.3 13 1.2 73

27

v2/2g 4.0377 E-05 4.8362 E-05 5.8974 E-05 7.3503 E-05 9.4147 E-05 0.0001 2489 0.0001 7356 0.0002 5742 0.0004 2078 0.0008 0838 0.0021 4463 0.0258 5632

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X Vs Tirante 1.400 1.200 1.000 0.800

X 0.600 0.400 0.200 0.000 0.0000

0.0200

0.0400

0.0600

0.0800

0.1000

Tirante

Velocidad VS Tirante 0.8000 0.6000

Velocidad(m/s) 0.4000 0.2000 0.0000 0.0000 0.0200 0.0400 0.0600 0.0800 0.1000

Tirante(m)

Interpretación de Gráficos En los presentes gráficos podemos observar lo siguiente: en el primero se puede apreciar los resultados de la longitud de remanso teórico versus la longitud medida en el laboratorio entre las cuales RESALTO HIDRÁULICO Y CURVA DE REMANSO 28

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hay una variación, estos errores deber ser por causa de una mala lectura de los tirantes ya que las medidas son muy pequeñas; y en el segundo gráfico podemos observar que la curva de remanso cumple con lo dicho teóricamente y va variando de forma gradual en función a los tirantes.

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