resalto hidraulico.docx

UNIVERSIDAD SAN MARTIN DE PORRES FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA

CURSO: MECANICA DE FLUIDOS

TEMA:

FLUJO RAPIDAMENTE VARIADO: RESALTO HIDRÁULICO.

PROFESOR: WILMER ZELADA ZAMORA ALUMNOS:

- HOYOS ESTELA OSNAR - NUÑEZ CUSMA MELANYTH

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INTRODUCCIÓN OBJETIVOS MARCO TEORICO CAPITULO I: RESALTO HIDRÁULICO……………………………………………7 1.1 Breve Historia………………………….……………..………………………7 1.2 Definición………………………… ………….….……..……….…………..7 1.3 Como se realiza un resalto hidráulico …………………………………...8 1.4 Resalto hidráulico en canales rectangulares…………………………….8 1.5 Aplicaciones de resalto hidráulico………………………………………..9 1.6 Clasificación de resalto hidráulico ………………………………………11 1.7 Control de resalto hidráulico ……………………………………………..12 1.8 Características del resalto hidráulico…………………………………….13 CAPITULO II: MATERIALES……………………………………………………….14 2.1 Jarra volumétrica……….……………………………………………..……14 2.2 Cronómetro …..…………………………………..……………….…..…...14 2.3 canal………………………………………………………………………….14 2.4 Electrobomba…………………………………………………….…………15 2.5 Agua…………………………………………………………….……………15 2.6 Huincha…………………………………………………………..…………..16 PROCEDIMIENTO CALCULOS CUADRO DE RESUMEN FLUJO RAPIDAMENTE VARIADO PARA CADA CAUDAL CONCLUSIONES ANEXOS BIBLIOGRAFIA

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Dedico este trabajo a nuestro profesor por habernos permitido llegar hasta este punto y a Dios por habernos dado salud para lograr nuestros objetivos, además de su infinita bondad y amor. (Melanyth Núñez Cusma) Este trabajo lo dedico en primer lugar a

Dios que me permite vivir cada dia con total salud, y en segundo lugar al profesor

que

gracias

a

sus

conocimientos me convertiré en un profesional de éxito. (Hoyos Estela Osnar)

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A nuestro maestro Wilmer Zelada Zamora Gracias por su tiempo, por su apoyo así como por la sabiduría que nos transmitió en el desarrollo para nuestro informe, por habernos guiado en el desarrollo de este trabajo y llegar a la culminación del mismo.

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En el control de flujos hidráulicos es frecuente el diseño de estructuras 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 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. Es importante que el ingeniero tenga los conocimientos básicos para el diseño de estructuras hidráulicas con cambios repentinos de flujo, mediante la determinación del número de froude y los efectos del cambio en las líneas de flujo en un punto específico de un canal. Para esta práctica hemos comparado los resultados reales con los teóricos y ver el margen de error, tan solo con saber un tirante se puede calcular el otro tirante y poder resolver a partir de ello, espero que nuestro informe y sobre todo nuestros cálculos sea preciso en este proyecto. Nuestra intención en este proyecto es dar a conocer como se genera un resalto hidráulico y las características que presenta, también dar a conocer los cálculos obtenidos tanto en lo teórico como en la práctica y aprender más de ello.

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 El alumno analizará las características del salto hidráulico en un canal rectangular y evaluará las diversas fórmulas empíricas que rigen su comportamiento”

 Calcular el caudal con el método volumétrico, el tiempo que demora su llenado se mide por medio de un cronómetro.

 Observar el comportamiento de un resalto hidráulico y familiarizarse con los parámetros que intervienen en su comportamiento.

 Definir las velocidad del resalto y los números de froude.

 Aplicar e interpretar la aplicación del resalto hidráulico con base en los datos

obtenidos en un canal de laboratorio, de acuerdo con el cálculo de la fuerza específica, el número de Froude, la longitud del resalto, entre otros.  Calcular las pérdidas de energía ocasionadas en un resalto hidráulico.

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En 1818, el italiano Bidone realizo las primeras investigaciones experimentales del resalto hidráulico. Esto llevó a Bélanger en 1928 a diferenciar entre las pendientes suaves (subcríticas) y las empinadas (supercríticas), debido a que observo que en canales empinados a menudo se producían resaltos hidráulicos generados por barreras en el flujo uniforme original. En un principio, la teoría del resalto desarrollada corresponde a canales horizontales o ligeramente inclinados en los que el peso del agua dentro del resalto tiene muy poco efecto sobre su comportamiento y, por consiguiente, no se considera en el análisis. Sin embargo los resultados obtenidos de este modo pueden aplicarse a la mayor parte de los canales encontrados en problemas de ingeniería. Para canales con pendiente alta el efecto del peso del agua dentro del resalto puede ser tan significativo que debe incluirse en el análisis.

El salto hidráulico es un fenómeno de la ciencia en el área de la hidráulica que es frecuentemente observado en canales abiertos como ríos y rápidas. Cuando un fluido a altas velocidades descarga a zonas de menores velocidades, se presenta una ascensión abrupta en la superficie del fluido. Éste fluido es frenado bruscamente e incrementa la altura de su nivel, convirtiendo parte de la energía cinética inicial del flujo en energía potencial, sufriendo una inevitable pérdida de energía en forma de calor. En un canal abierto, este fenómeno se manifiesta como el fluido con altas velocidades rápidamente frenando y elevándose sobre él mismo, de manera similar a cómo se forma una onda-choque.

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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. Para que el salto hidráulico realmente se produzca, es necesario que los dos tirantes conjugados que lo acompañan (menor y mayor), sean diferentes del crítico.

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 formara en el canal si el numero de Froude (F1) del flujo, la profundidad del flujo (Y1)y la profundidad (Y2) aguas abajo satisfacen la ecuación:

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Un salto hidráulico se presenta cuando por alguna circunstancia el flujo pasa de régimen supercrítico a régimen subcrítico, este cambio de régimen generalmente va acompañado por una importante pérdida de energía y tiene su aplicación en el diseño de estructuras hidráulicas disipadoras de energía, ya sea en la descarga de una compuerta de flujo inferior a descarga libre o en canales de conducción donde se necesite descender de una elevación superior a una inferior, lo cual se puede hacer por medio de una rápida, de tal forma que al pie de dicha rápida se continué con un canal con una pendiente menor que el de la rápida, lo cual da origen a la formación de un flujo bruscamente variado. Por lo anterior es necesario calcular las pérdidas de energía y sobretodo definir si el salto será bien formado, ya que de lo contrario podría provocarse un flujo con velocidad excesiva aguas abajo de la compuerta o la rápida que puedan provocar erosión no aceptable y entonces deberá de calcularse una estructura disipadora de energía. Este fenómeno permite pasar del régimen supercrítico al subcrítico. Otras aplicaciones del resalto hidráulico pueden ser:  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.

 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.

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 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 aireación de flujos y el desclorinado en el 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.

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La clasificación se da, de acuerdo con el número de Froude (F1) del flujo entrante.  Para F1 = 1.0: el flujo es crítico, y de aquí no se forma ningún salto.  Para F1 > 1.0 y < 1.7 (salto ondular): la superficie del agua muestra ondulaciones llamado salto ondular.

 Para F1 > 1.7 y < 2.5 (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 F1 > 2.5 y < 4.5 (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 F1 > 4.5 y < 9.0: (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 salto está bien balanceado y el rndimiento en la disipación de energía es el mejor, variando entre el 45 y el 70%.

 F1 = 9.0 o mayor (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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El resalto hidráulico puede controlarse o afectarse por medio de obstáculos de diferentes diseños como vertederos de cresta delgada, de crestas anchas y subidas y descensos abruptos en el fondo del canal. La función del obstáculo es asegurar la formación del resalto y controlar su posición en todas las condiciones probables de operación. Varios experimentos han demostrado que las fuerzas que actúan sobre un obstáculo en un resalto disminuyen rápidamente hasta un mínimo a medida que el extremo de aguas abajo del resalto se mueve hacia aguas arriba hasta una posición encima del obstáculo. De ahí en adelante la fuerza se incrementa con lentitud hasta un valor constante a medida que el resalto se aleja más hacia aguas arriba. El control de resaltos mediante obstáculos es útil si la profundidad de aguas abajo es menor que la profundidad secuente para un resalto normal, pero si la primera es mayor que la segunda debe utilizarse una caída en el piso del canal para asegurar un resalto. Por lo general esta condición ocurre a la salida de una expansión con flujo supercrítico.

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Las características del resalto hidráulico han sido aprovechadas para reducir las velocidades de flujo en canales a valores que permitan el escurrimiento sin ocasionar tensiones de corte superiores a los límites permitidos por los materiales que componen el perímetro mojado. El lugar geométrico en el que se presenta el resalto se denomina colchón hidráulico. Se han investigado diferentes formas de colchones hidráulicos con el objeto de lograr una mejor disipación de energía en una menor longitud. Para el diseño de colchones hidráulicos en canales rectangulares se consideran los siguientes aspectos.

1.6.1 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.

1.6.2 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. ⁄

1.6.3 Altura del resalto: Es la diferencia entre las profundidades antes y después del resalto.

1.6.4 Longitud del resalto: La longitud del resalto, ha recibido gran atención por parte de los investigadores, pero hasta ahora no se ha desarrollado un procedimiento satisfactorio para su cálculo. Sin duda esto se debe al hecho de que el problema no ha sido analizado teóricamente, así como a las complicaciones prácticas derivadas de la inestabilidad general del fenómeno y la dificultad en definir las secciones de inicio y fin del resalto.

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Se

utilizó como probeta, fue

importante para medir el volumen.

Se utilizó un celular como cronometro para calcular el tiempo.

Es importante porque ya que aqui es donde

se

observa

el

resalto

hidráulico.

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Importante para que el agua suba a través de la manguera gracia a la presión que le da.

Indispensable para ver como es el comportamiento del fluido.

Con la huincha hemos medido el canal lo que son los tirantes, distancia del salto hidráulico y la base del canal.

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Existen diversos métodos para determinar el caudal que fluye a través de un canal abierto y nosotros hemos usado método. En esta práctica únicamente se analizaron algunos de los procedimientos o variantes del método volumétrico. El método de volumétrico se basa en: 3.1.1 Método volumétrico usado: La forma más sencilla de calcular los caudales pequeños es la medición directa del tiempo que se tarda en llenar un recipiente de volumen conocido. La corriente se desvía hacia un canal o cañería que descarga en un recipiente adecuado y el tiempo que demora su llenado se mide por medio de un cronómetro. Para los caudales de más de 4 l/s, es adecuado un recipiente de 10 litros de capacidad que se llenará en 2½ segundos. Para caudales mayores, un recipiente de 200 litros puede servir para corrientes de hasta 50 1/s. El tiempo que se tarda en llenarlo se medirá con precisión, especialmente cuando sea de sólo unos pocos segundos. La variación entre diversas mediciones efectuadas sucesivamente dará una indicación de la precisión de los resultados.

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 Aforar el gasto que pasa por el canal, calcular

el caudal

con el método

volumétrico, el tiempo que demora su llenado se mide por medio de un cronómetro.

 Medir los tirantes conjugados menor (Y1) y mayor(Y2) del salto hidráulico(m).  Medir la geometría del canal en las secciones de análisis.  Calcular la velocidad de la sección del conjugado menor (Y1).  Calcular el número de Froude para el tirante conjugado menor (Fr1).  De acuerdo al valor calculado para el número de froude, clasificar el resalto.  Calcular la energía en las secciones iniciales y subsiguientes (m).  Calcular las pérdidas de energía.  Medir la longitud del resalto hidráulico, desde el tirante conjugado menor al tirante conjugado mayor (m).  Calcular la longitud del salto hidráulico” bien formado “(L) de acuerdo a la siguiente ecuación: L=5(Y2-Y1).

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ENSAYO

VOLUMEN (ltr)

TIEMPO(s)

CAUDAL (ltr/s)

1

0.95

1.5

0.633

2

0.75

1.19

0.630

3

0.64

1.02

0.627

4

0.89

1.41

0.631

5

0.85

1.33

0.639

Q prom =

0.632

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4.1 CUANDO SE CONOCE

PERO NO SE CONOCE

Y

4.2 CUANDO SE CONOCE

PERO NO SE CONOCE

Y

4.3 HALLAMOS LAS ÁREAS

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4.4 HALLAMOS LAS VELOCIDADES

⁄

⁄

4.5 HALLAMOS LOS NUMEROS FROUDES

√

√

√

4.6 HALLAMOS LA LONGITUD DEL RESALTO Para esto tenemos que ver las siguientes formulas. 

Siñchin

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

Wóycicki (Polonia)



Chertusov (Rusia)



Smetana (Rep. Checa)

4.7 HALLAMOS LAS FUERZAS ESPECIFICAS

21

4.8 HALLAMOS LAS ENERGIAS ESPECIFICAS

4.9 HALLAMOS LA VARIACION DE ENERGIA

4.10

HALLAMOS LA ALTURA DEL RESALTO

22

4.11

HALLAMOS LA EFICIENCIA ⁄

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Q=

0.000236

Y1=

0.0219m

Y2=

0.0638m

altura resalto= V1= V2= Fr1= Fr2= F1= F2= E1= E2= variacion E= Eficiencia=

4.19cm 1.101 0.3807 2.3947 0.48107 0.0000774 0.00007746 0.0847m 0.0712m 0.0135m 0.159

Presenta un resalto débil

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

ENSAYO

VOLUMEN (ltr)

TIEMPO(s)

CAUDAL (ltr/s)

1

0.95

1.5

0.633

2

0.75

1.19

0.630

3

0.64

1.02

0.627

4

0.89

1.41

0.631

5

0.85

1.33

0.639

Q prom =

0.632

CUANDO Q=0.00063

Longitud de sato hidráulico: -

Siechin

-

Woycicki

-

Chertusov Smetana

(

)

25



CUANDO Q=0.000631

Longitud de sato hidráulico: -

Siechin

-

Woycicki

-

Chertusov Smetana

(

)

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Podemos ver como gracias a un resalto hidráulico la energía de un flujo puede disiparse y al mismo tiempo como puede cambiar el régimen del flujo. En la gráfica 1 se puede detallar como fue ese cambio en el flujo y como disminuye la energía de este, aunque no fue mucha la disipación. Los resultados obtenidos como era de esperarse no son exacto debido a que se desprecian pérdidas o pequeños detalles que afectan a estos ya sea la composición del canal donde se trabajó, la eficiencia en la toma de las muestras y otros factores que influyen, es por esto sé que se promedian los datos con el fin de mayor exactitud, pero aun así no fueron exactos. Esto lo podemos ver en la diferencia de la fuerza especifica donde según la teoría las fuerzas de ambos flujos (antes y después del resalto) debían ser iguales; yendo a los resultados se ve que esta tiene una pequeña diferencia. El flujo presenta resalto hidráulico.

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 http://fluidos.eia.edu.co/lhidraulica/guias/flujouniforme/flujouniforme.html  http://es.wikipedia.org/wiki/Flujo_uniforme  http://html.rincondelvago.com/desarrollo-del-flujo-uniforme-y-de-sus-ecuaciones.html

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