Salto-hidraulico

Ensayo De Laboratorio De Salto Hidráulico Universidad Militar Nueva Granada Programa: Ingeniería Civil Hidráulica De Canales Grupo Civil 7 Ensayo de Laboratorio Salto Hidráulico Londoño, Jaime Andres; Ortiz Beltrán, Sergio Stevens; Rodriguez Calderón, Mario Mauricio [email protected]; [email protected]; [email protected] Resumen

El salto hidráulico es evidenciado cuando un fluido con régimen supercrítico pasa a ser Subcritico por factores externos o del medio en el que fluye, se ve por medio del cambio de altura en el que fluye este, generando un tipo de remolino donde sucede este fenómeno. En esta acción se ve disipada una gran cantidad de energía que presenta el fluido y puede llegar a generar mezclas perfectas de los compuestos que lleve este fluido. Se procede a realizar el montaje, tomando las lecturas del nivel del vertedero (Hv), profundidades del nivel de agua antes del salto (Y1) y después del salto (Y2), cálculo del número de Froude (F) sea posible caracterizar en u gran variedad aspectos del salto hidráulico. En

estos saltos hidráulicos los podemos clasificar en 6 tipos que dependen del número de Froude el cual se encuentra asociado con la velocidad del fluido, para este número se realizó una comparación y se evidencio un salto Oscilante. Se realizó las gráficas de energía total, alturas piezometrica y energía específica, las cuales al ser interpretadas muestran el comportamiento esperado, sin embargo los errores de los cálculos de las diferentes formas de calcular la disipación de energía son muy altos; para concluir el salto Hidráulico del fluido en este proceso se emplea en múltiples campos, por ello es fundamental el saber cómo manejarlos y optimizar sistemas con la ayuda de este fenómeno.

Palabras Clave Salto Oscilante, Subcritico, Supercrítico, Remolino. Introducción El salto hidráulico es un proceso en el cual un fluido que fluye con régimen supercrítico y bruscamente pasa a ser de régimen subcritico, este fenómeno es un excelente medio para disipar la energía cinética del agua en extremos de canales. Para este proceso de deben de tener en cuenta las alturas del flujo antes y después del salto hidráulico, alturas piezometrica y longitud del salto hidráulica. Se calcula el número de Froude en las 2 secciones para corroborar que si ocurra el cambio de régimen, aunque este se puede evidenciar directamente. A partir del número de Froude se realiza una clasificación del tipo de salto hidráulico generado, esta clasificación se encuentra subdividida en 6 tipos que se relacionan directamente con la cantidad de energía disipada. Con los datos de alturas piezometrica se genera una gráfica de línea piezometrica, por medio de esta se evidencia el comportamiento del flujo. Elementos del Trabajo y metodología Durante la práctica se tomaron los datos correspondientes en la tabla de toma de datos de

laboratorio para ser analizado. Los datos tomados en laboratorio fueron la altura de cresta del vertedero (Ho), la altura inicial de los piezómetros después de haber purgado cada piezómetro, la altura del vertedero (Hv), la apertura de la compuerta que son cuatro datos distintos donde se variaban para cada caudal, el inicio de salto (Y1), el final del salto (Y2) y la distancia entre (Y1) y (Y2). Los primeros parámetros a observar son la línea piezometrica y la línea de Energía para observar el comportamiento del flujo durante el cambio de estado conocido como salto hidráulico. Para la relación entre las alturas generadas por el salto Hidráulico se tiene una expresión la cual teóricamente tiene que proporcionar a una expresión en función del número de Froude.

Ensayo De Laboratorio De Salto Hidráulico Universidad Militar Nueva Granada Programa: Ingeniería Civil Hidráulica De Canales Grupo Civil 7 En el salto Hidráulico se presenta un cambio de estado de Supercrítico a subcritico en ese lapso se pierde energía está perdida está dada en función de la velocidad que lleva el fluido y su energía, en cambio a la energía y velocidad con la que el flujo queda luego del cambio de estado, para determinar está perdida se ve expresado en la siguiente función.

Existen otras formas de calcular esta disipación de energía en este caso hay una expresión que solo varía en función de las alturas de la lámina de agua.

Altura piezometrica (m)

El salto Hidráulico tiene una longitud el cual tiene un comportamiento caótico de las partículas en flujo, esta longitud va desde la cara frontal del salto hasta un punto sobre la superficie del agua donde termina la ola asociada con el salto, esta longitud se expresa analíticamente, sin embargo varía mucho respecto al comportamiento del flujo en el canal, la siguiente formula expresa la relación entre las alturas para obtener un factor de longitud.

Otra manera de ver la perdida de energía es en la gráfica de Energía Especifica, en esa curva se aprecia el cambio de energía en función de la profundidad del flujo, para el cálculo de la energía especifica es la suma de la altura (y) más la cabeza de velocidad.

El cálculo de la fuerza especifica esta dado en condiciones del canal y la siguiente expresión demuestra la forma de su cálculo.

RESULTADOS En la gráfica N° 1 se observa la altura que lleva el flujo a lo largo del canal, se puede evidenciar el salto brusco que sufre y el almacenamiento de flujo luego del salto.

linea piezometrica

35 33 31 29 27 25 23 21 19

linea piezometrica a1 linea piezometrica a2 linea piezometrica a3 linea piezometrica a4 9

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Piezometros

Ensayo De Laboratorio De Salto Hidráulico Universidad Militar Nueva Granada Programa: Ingeniería Civil Hidráulica De Canales Grupo Civil 7 Gráfica N° 1- Alturas Piezometrica (m) Vs el número de piezómetros a lo largo del canal

Energia (m)

En la gráfica N° 2 se observa la energía a lo largo del canal, en dicha grafica la energía tiene una caída insignificante hasta el salto; en el salto hay

una caída brusca lo que simboliza la pérdida o disipación de la energía del Flujo, no obstante la energía tiene que estabilizarse en un flujo con menor energía. Ese delta de energía se puede observar más adelante en la tabla N°2.

Linea de Energia

0,41 0,39 0,37 0,35 0,33 0,31 0,29 0,27 0,25

linea de energia a1 liena de energia a2 liea de energia a3 linea de energia a4

9

10

11

12

13

14

15 16 17 18 Piezometros

Gráfica N° 2- Energía (m) Vs el número de piezómetros a lo largo del canal. En la Tabla N°1 están los cálculos para el numero de Froude para cada caudal utilizado, y los resultados de la relación de las alturas a comparación en la expresión en función del número de Froude nombrada anteriormente, en la verificación teórica se hace respecto a la formula en función de las alturas.

A1 A2 A3 A4 N de Froude v1 (F) 3,20 3,68 2,69 2,43 N de Froude v2 (F) 0,26 0,27 0,31 0,39 formula Froude 4,06 4,74 3,34 2,98 verificación teórica 5,30 5,69 4,19 3,38 porcentaje de error % 23,4 16,7 20,3 11,9 Tabla N°1 – Numero de Froude, formula en función de Froude, verificación y error.

19

20

21

22

23

24

En la Tabla N°2 en esa tabla se encuentra la perdida de energía que sufre el sistema por el salto Hidráulico, este delta de energía se calculó en función de las alturas de la lámina de agua y la cabeza de velocidad en cada tramo (supercrítico a subcritico). A1

A2

A3

A4

perdida de energía (m) 0,0150 0,0436 0,0063 0,0101 Tabla N°2 – Calculo de Energía en Función de la Velocidad En la tabla N° 3 se calculó la perdida de Energía que sufre el sistema, para este cálculo se realizó en función de las láminas de agua antes y después del salto. A1 Perdida teórica (m)

0,0864

A2

A3

A4

0,1045

0,0564

0,0311

Ensayo De Laboratorio De Salto Hidráulico Universidad Militar Nueva Granada Programa: Ingeniería Civil Hidráulica De Canales Grupo Civil 7 Tabla N°2 – Calculo de Energía en Función de las láminas de agua

A1 A2 A3 A4 ΔX (m) 0,495 0,54 0,4635 0,37 Tabla N°2 – Calculo de longitud del Salto Hidráulico

En la Tabla N°4 se calculó la distancia en la cual se encuentra en salto, el comportamiento caótico y disipador de energía que cambia el Flujo de estado.

En la Grafica N°3 se observa la curva de energía específica la cual se expresa el comportamiento del salto y se puede ver la perdida de energía generada por el salto.

Curva de Energia Especifica

0,14 Profundidad (m)

0,12 0,1

curva Energia especifica A1

0,08

curva Energia especifica A2

0,06

curva Energia especifica A3

0,04

curva Energia especifica A4

0,02 0 0,05

0,1

0,15

0,2

Energia Especifica (m)

Grafica N° 3- Profundidad Vs Energía Especifica.

0,14

Curvas de Fuerza Especifica

Profundidad (m)

0,12 0,1

Curva Fuerza Especifica A1

0,08

Curva Fuerza Especifica A2

0,06

Curva Fuerza Especifica A3

0,04

Curva Fuerza Especifica A4

0,02 0 0,001

0,0012

0,0014

0,0016

Fuerza Especifica

Grafica N°4- relación de la profundidad con relación a la Fuerza Especifica.

0,0018

0,002

Ensayo De Laboratorio De Salto Hidráulico Universidad Militar Nueva Granada Programa: Ingeniería Civil Hidráulica De Canales Grupo Civil 7 ANALISIS DE RESULTADOS En relación a los datos de laboratorio el número de Froude para cada caudal varía entre 2.5-3.5 el cual recibe el nombre de Salto Oscilante el cual presenta características de un chorro desde el fondo del salto hacia la superficie que se devuelve, en la Grafica N° 1 y 2 tiene un comportamiento acorde al salto, sin embargo el salto generado en la Grafica N°2 es muy alto, se esperaría una perdida alta pero no a esos extremos. La relación de las dos alturas antes y después del salto se esperaría que fuera igual a la expresión en función del número de Froude, no obstante no lo es y tiene unos errores que oscilan entre 11.91% al 23.42% lo que es un valor aceptable teniendo en cuenta la calibración del sistema y las condiciones de los piezómetros. Si se analiza la perdida de energía hallada por los dos métodos mencionados anteriormente se encontrar errores 82,6%-58,28%-88,86%-67,59% lo que es muy alto se esperarían de magnitudes menores al 20%, en la Grafica N°3 las curvas tienen una tendencia muy amplia y en el último

caudal su comportamiento no es el esperado, este comportamiento pudo generarse por que el salto se generó en los primeros piezómetros generando el cambio en la parte inicial, en la gráfica se puede observar el delta de energía en la parte cóncava llegando al punto crítico de la curva. Conclusión El salto hidráulico es de gran utilidad en procesos como la mezcla de compuestos, ya que por su comportamiento realiza una mezcla perfecta, pero se debe tener en cuenta ciertos aspectos para que este salto tenga mayor eficiencia, entre los cuales se evidencio que entre más supercrítico sea el flujo, mayor será el salto generado, al igual que entre más abierta se tuviera la compuerta, este salto hidráulico se iba acercando a ella. Se identificó un tipo de salto oscilante, esto depende del número de Froude los cuales se encuentran en un rango de 2,5 – 4,5. Con esta clasificación se puede suponer un rango de la energía liberada según sea la magnitud del salto, teniendo como base los rangos máximos con disipación de energía hasta del 85% y rango mínimo en los que no hay salto, encontrando el salto evaluado en laboratorio de manera intermedia.