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NOTA: LABORATORIO N°2: RESALTO HIDRAULICO Grupo Nro. 6 FACULTAD: Ingeniería Civil CURSO: Mecánica de Fluidos II INTEGRANTES: Carlos Villareal, Bill Hernández Calderón, Jesús Nobile Zegarra, Renato Alexander Nuñez Pereyra, Alex Daniel Ortiz Samaniego, Joseph Christian Sosa Romani, Maite Mamani Castro, Reyneiro Francisco Flores Ticuña, Arnold Francisco DOCENTE: ING. OSCAR VELARDE VILLAR FECHA DE ENTREGA: La Molina, del 2021 INTRODUCCIÓN Este trabajo incluye un experimento relacionado con resultados hidráulicos a través de un modelo de escorrentía. Esta experiencia nos permite inferir el comportamiento de la corriente de agua en canales abiertos a través de compuertas variables, por las cuales circula el agua en una sección rectangular. En este informe se presentarán los datos obtenidos del laboratorio con su respectivo análisis de tal forma de poder concluir los diversos tópicos asociados a la materia de resalto hidráulico. Además, se incluirán gráficos que permitan identificar en forma mas clara los distintos comportamientos que presentan los escurrimientos y sus propiedades al hacer variar algún parámetro La finalidad de este informe es analizar el comportamiento y las características de un resalto hidráulico, utilizando el montaje de un canal rectangular a superficie libre. Con la circulación de un caudal por el canal, y un cambio en la pendiente, se buscarán generar las condiciones para producir un resalto hidráulico con diferentes intensidades y se analizará el comportamiento de dicho resalto, analizando las diferentes variables que ocurren al establecer varias condiciones en el flujo, además se determinará el tipo de resalto obtenido y las alturas conjugadas del resalto. OBJETIVOS Objetivo general Comparar y probar teórico y experimentalmente la aplicación del salto hidráulico Según los resultados del cálculo de velocidad, ajuste crítico, número de Froude, según los datos obtenidos en el canal de laboratorio. Objetivos específicos · Utilizar números de Froude para determinar teóricamente los diferentes tipos de impactos que ocurren en el laboratorio. · Comprobar la presencia de resaltos hidráulicos y cómo ocurre al cambiar los tipos de flujo. · Comprobar si hay pérdida de energía en el salto hidráulico. · Determinar cómo los cambios en la apertura de la puerta controlan la formación de resaltos hidráulicos. ÍNDICE 1. MARCO TEORICO 4 1.1. Conceptos previos 5 1.1.2. Número de Froude 5 1.1.3. Energía especifica 5 1.1.4. Condiciones críticas 6 1.1.4.1. Tirante crítico 8 1.1.4.2. Velocidad crítica 10 1.2. Resalto hidráulico 10 1.2.1. Relación entre caudal y tirantes conjugados 12 1.2.2. Ecuación general de resalto hidráulico 13 1.2.3. Tipos de resalto hidráulico 15 1.2.4. Pérdida de la energía 16 1.2.4.1. Cálculo de la pérdida de energía 16 1.2.5. Longitud del resalto Hidráulico 18 2. DESARROLLO DE EXPERIENCIA 20 2.1. Equipos y Materiales 20 2.2. Procedimiento 21 2.3. Datos obtenidos y calculados 26 2.3.1. Datos obtenidos experimentalmente 26 2.3.1.1. Cálculo del caudal real 26 2.3.1.2. Tirantes conjugados 26 2.3.2. Datos calculados teóricamente 27 2.3.2.1. Cálculo del caudal teórico 27 2.3.2.2. Cálculo de velocidad y tirante crítico 27 2.3.2.3. Cálculo de Número de Froude 28 2.4. Comparación de resultados teóricos y experimentales 30 OBSERVACIONES 31 CONCLUSIONES 31 RECOMENDACIONES 32 REFERENCIAS 33 Índice de Ilustraciones Ilustración 1.- Curva de energía especifica. 8 Ilustración 2.- Energía especifica y flujos 8 Ilustración 3.- Régimen supercrítico y subcrítico. 10 Ilustración 4.- Régimen supercrítico VS régimen subcrítico 11 Ilustración 5.- Flujo Supercrítico, transición y subcrítico 13 Ilustración 5.- Flujo Supercrítico, transición y subcrítico 13 Ilustración 6.- Pérdida de energía 16 Ilustración 6.- Pérdida de energía 16 1. MARCO TEORICO 1.1. Conceptos previos 1.1.2. Número de Froude El número de Froude es un parámetro adimensional que determina el tipo de flujo. Cuando el número de Froude es igual a 1, es decir, cuando , el flujo se llamara flujo crítico. Cuando NF<1, el flujo es subcrítico y cuando NF> 1, el flujo será supercrítico. También con el número de Froude se determina el tipo de resalto hidráulico. Con respecto al número de Froude: Se sabe que: Despejando Q: 1.1.3. Energía especifica La energía específica en la sección de un canal se define como la energía por peso de agua que fluye a través de la sección medida con respecto al fondo del canal. Sección de Bernoulli para una sección del canal es: Donde Z=0 (ya que el nivel de referencia es el fondo del canal) obteniéndose la ecuación de la energía especifica: El concepto de energía específica, fue introducido por Boris A. Bakhmetteff en 1912 y mediante su adecuada consideración se puede resolver los más complejos problemas de transiciones cortas en las que los efectos de rozamiento son despreciables. En (1.1), considerando , se tiene: Pero, de la ecuación de continuidad, para un canal de cualquier sección, se tiene: Sustituyendo (1.3) en (1.2), resulta: Suponiendo que Q es constante y A es función del tirante, la energía especifica es función únicamente del tirante. Si la ecuación (1.4) se grafica dara una curva de dos ramas, lo cual se puede apreciar del siguiente análisis: Si Si Es decir, cuando asi como cuando , lo que indica que para valores del intervalo , habrá valores definidos de E, y que debe haber un valor mínimo de E. 1.1.4. Condiciones críticas Se dice que un canal, o alguna sección de él, están trabajando bajo un régimen crítico cuando: a) Posee la energía especifica mínima para un caudal dado, o b) Posee el caudal máximo para una energía especifica dada, o c) Posee la fuerza específica mínima para un caudal dado. De lo anterior, los términos de régimen crítico pueden definirse como sigue: · Caudal o gasto critico Es el caudal máximo para una energía específica determinada, o el caudal que se producirá con una energía especifica mínima. · Pendiente critica Es el valor particular de la pendiente del fondo del canal, para la cual éste conduce un caudal Q en régimen uniforme y con energía especifica mínima, o sea, que en todas sus secciones se tiene el tirante crítico, formándose el flujo critico uniforme. · Régimen subcritico Son las condiciones en las que los tirantes son mayores que los críticos, las velocidades menores que la críticas y los números de Froude menores que 1. Es un régimen lento, tranquilo, fluvial, adecuado para canales principales o de navegación. · Régimen supercrítico: Son las condiciones hidráulicas en la que los tirantes son menores que los críticos, las velocidades mayores que las críticas y los números de Froude mayores que 1. Es un régimen rápido, torrencial, pero perfectamente estable, puede usarse en canales revestidos. Ilustración 1.- Curva de energía especifica. Ilustración 2.- Energía especifica y flujos En la figura, en la zona superior de la curva de energía especifica corresponde al flujo subcritico (y2>yc) y la inferior al flujo supercrítico (y1<yc). 1.1.4.1. Tirante crítico De la ecuación (1.4), se tiene: Si Q es constate y A=f(y) De la primera consideración de la definición de régimen crítico, se tiene que un régimen es crítico, si la energía especifica mínima, es decir: Derivando (1.5) con respecto al tirante e igualando a cero, se tiene: De donde: Interpretación de en la figura: El elemento de área cerca de la superficie libre es igual a es decir: Sustituyendo (3.3) en (3.2), resulta: Como A y T están en función de y, la ecuación (3.4) impone las condiciones del flujo critico en un canal de cualquier forma y permite calcular el tirante crítico. Como 1.1.4.2. Velocidad crítica La velocidad crítica se da cuando el número de Froude es 1, el cual es mayor en un flujo subcrítico y menor en un flujo supercrítico 1.2. Resalto hidráulico Es un fenómeno local, que se presenta en el flujo rápidamente variado, el cual va siempre acompañado por un aumento súbito del tirante y unapérdida de energía bastante considerable (disipada principalmente como calor), en un tramo relativamente supercrítico (rápido) a régimen subcritico (lento), es decir, en el resalto hidráulico el tirante, en un corto tramo, cambia de un valor inferior al crítico a otro superior a éste. Ilustración 3.- Régimen supercrítico y subcrítico. Generalmente el resalto se forma cuando en una corriente rápida existe algún obstáculo o un cambio brusco de la pendiente. Esto sucede al pie de estructuras hidráulicas tales como vertederos de demasías, rápidas, salidas de compuertas con descarga por el fondo, etc. Ilustración 4.- Régimen supercrítico VS régimen subcrítico En un resalto se pueden realizar las siguientes observaciones: a) Antes del resalto, cuando el agua escurre a un régimen rápido, predomina la energía cinética de la corriente, parte de la cual se transforma en calor (perdida de energía útil); siendo esta la que predomina, después de efectuado el fenómeno. b) En la figura que se mostrara a continuación, las secciones 1 y 2 marcan esquemáticamente el principio y el final del resalto. Los tirantes y1 y y2 con que escurre el agua antes y después del mismo se llaman tirantes conjugados, donde y1 es el tirante conjugado mayor y y2 el tirante conjugado menor. c) La diferencia , es la altura del resalto y L su longitud; existen muchos criterios para encontrar este último valor. d) E1 es la energía específica antes del resalto y E2 la que posee la corriente después de él. Se observa que en 2, la energía especifica es menor que en 1, debido a las pérdidas de energía útil que el fenómeno ocasiona; ésta pérdida se representa como: 1.2.1. Relación entre caudal y tirantes conjugados Para el volumen libre comprendido entre las secciones 1 y 2, considerando una anchura de canal unidad y un caudal unitario q. y, análogamente Aplicando el principio de la cantidad de movimiento, Ilustración 5.- Flujo Supercrítico, transición y subcrítico Ilustración 5.- Flujo Supercrítico, transición y subcrítico Puesto que v2y2=v1y1 y v1=q/y1, la ecuación anterior se convierte: Como 1.2.2. Ecuación general de resalto hidráulico La transición, en movimiento permanente, de régimen rápido a lento se realiza con una gran disipación local de energía presentándose un frente abrupto muy turbulento conocido con el nombre de resalto hidráulico. Como se observa en la figura este fenómeno provoca un aumento apreciable del calado, consideración que debe ser tenida en cuenta en el dimensionamiento de la red, en los puntos en que, por sus características geométricas, se den las condiciones de posible aparición de un resalto hidráulico. Se considera la sección (1) en régimen rápido justo antes del resalto y la (2), ya en movimiento uniforme después del resalto, en régimen lento. En las secciones (1) y (2) puede suponerse una distribución hidrostática de presiones. La relación de calados resultante aguas arriba y abajo del resalto se obtiene de aplicar las ecuaciones de la cantidad de movimiento y de continuidad: Siendo: La longitud del resalte (L) no puede determinarse teóricamente, existiendo varias correlaciones experimentales. Aproximadamente, puede tomarse: Experimentalmente se ha comprobado que el resalto se presenta para F>31/3; para F<31/3 el resalto es ondulado y su situación más estable se produce para 4,5 < F <9 Cuando las condiciones en los límites no corresponden con las determinadas por las ecuaciones del resalto, el resalto no es estable y se presenta un resalto móvil, que se puede estudiar considerando unos ejes móviles que se trasladen a la velocidad del resalto 1.2.3. Tipos de resalto hidráulico: Los resaltos tienen distintas formas y en la siguiente tabla se muestran resaltos para distintos números de Froude en forma teórica: El nombre que recibe cada uno de estos ejes se define como: Por lo que el eje hidráulico teórico para resalto estable queda de la siguiente forma: F1 Tipo Característica F1 < 1 No se forma Corriente subcritica y seguiría siendo subcritica. F1 = 1 No se forma El flujo es crítico y no se presentan condiciones para la formación de un R.H 1 < F1 ≤ 1.7 R.H ondular La superficie libre presenta ondulaciones. La disipación de energía es baja, menor del 5% 1.7 < F1 ≤ 2.5 R.H débil Se generan muchos rodillos de agua en la superficie del resalto, seguidos de una superficie suave y estable, aguas abajo. La energía disipada es del 5 al 15% 2.5 < F1 ≤ 4.5 R.H oscilante Presenta un chorro intermitente, sin ninguna periodicidad, que parte desde el fondo y se manifiesta hasta la superficie, y retrocede nuevamente. Cada oscilación produce una gran onda que puede viajar largas distancias. La disipación de energía es del 15 al 45% 4.5 < F1 ≤9 R.H estable Su acción y posición son poco variables y presenta el mejor comportamiento. La energía disipada en este resalto puede estar entre 45 y el 70% F1 < 9 R.H fuerte Caracterizado por altas velocidades y turbulencia, con generación de ondas y formación de una superficie tosca, aguas abajo. Su acción es fuerte y de alta disipación de energía, que puede alcanzar hasta el 85% 1.2.4. Pérdida de la energía Ilustración 6.- Pérdida de energía Ilustración 6.- Pérdida de energía E1 es la energía específica antes del resalto hidráulico y E2 es la que posee después del resalto. Se observa que E2 energía especifica después del resalto es menor que E1 antes del resalto, debido a las pérdidas de energía útil que este fenómeno ocasiona; esta pérdida se presenta como: 1.2.4.1. Cálculo de la pérdida de energía De la ecuación de la energía específica tenemos: Energía aguas arriba Energía aguas abajo del resalto Según la conservación de la energía Entonces: Por continuidad Relación de los tirantes conjugados . El número de Froude en caudal resulta: Remplazando (3) en (2) Se despeja () . . De la ecuación de la conservación de la energía sustituir (4) en (1) Agrupamos usando denominador común: Se desarrolla el numerador y agrupamos: Dividiendo por (y1)(y2) . En (5) 1.2.5. Longitud del resalto Hidráulico Un parámetro importante en el diseño de obras hidráulicas es la longitud de resalto. Define la necesidad de incorporar obras complementarias para reducir esta longitud y aplicar medidas de protección de la superficie para incrementar su resistencia a los esfuerzos cortantes. La longitud del resalto se puede determinar por las siguientes expresiones según diferentes autores: · Según Sieñchin: .L : Longitud del resalto .: Tirante conjugado menor .: Tirante conjugado mayor .K: Constante depende del talud Z del canal Talud Z 0 0.5 0.75 1 1.25 1.5 K 5 7.9 9.2 10.6 12.6 15 · Según Hsing: · Según Pavlovski: · Según Schaumian: · Según Chertousov: 2. DESARROLLO DE EXPERIENCIA 2.1. Equipos y Materiales Implementos de seguridad Covid 2.2. Procedimiento 1. Primero llenamos aproximadamente 2/3 del reservorio con agua desde un punto de salida de agua por medio de una manguera. 1. Medimos con un vernier la base del canal y una altura referencial desde el fondo del canal y lo marcamos en 0. 1. Giramos la manivela para variar la pendiente que deseamos. El canal de pendiente variable de las instalaciones de la FIA tiene un máximo de pendiente negativa del 2% y de pendiente positiva del 4%. Tomamos S=2% y S=1% para los ensayos.VARIADOR DE PENDIENTE VARIADOR DE PENDIENTE PERMITE LEER LA PENDIENTE PERMITE LEER LA PENDIENTE 1. Encendemos la bomba con una frecuencia de 18.5 y esperamos aproximadamente 2 minutos hasta que el flujo en el canal se estabilice BOMBA DE AGUA BOMBA DE AGUA VFD, VARIADOR DE FRECUENCIA, también llamado variador de velocidad, ajusta la velocidad de la bomba de agua de corriente alterna VFD, VARIADOR DE FRECUENCIA, también llamado variador de velocidad, ajusta la velocidad de la bomba de agua de corriente alterna1. Cuando el flujo sea estable colocamos el balde de volumen conocido (15 L) en la salida del canal y con un cronometro iniciamos el tiempo. Detenemos el cronometro cuando el balde se haya llenado y anotamos el tiempo registrado en el cronómetro. Repetimos 3 veces para disminuir el margen de error. 1. Colocamos la compuerta en la parte central del canal, cuando se note una variación de altura del flujo tomamos las medidas de cada tirante, con el vernier medimos hasta la superficie del fluido aguas arriba y aguas abajo. Disminuimos la apertura de la compuerta y tomamos medida de los nuevos tirantes. 1. Cambiamos la potencia de la bomba para obtener otro caudal, esperamos a que el flujo se estabilice y repetimos el mismo procedimiento desde el paso 5. 2.3. Datos obtenidos y calculados 2.3.1. Datos obtenidos experimentalmente 15 L 15 L 2.3.1.1. Cálculo del caudal real CÁLCULO DE CAUDAL ENSAYO 1 2 3 Volumen (m3) 0.015 0.015 tiempo (s) 5.41 5.93 Caudal real (m3/s) 0.0027726 0.0025295 2.3.1.2. Tirantes conjugados ENSAYO 1 2 3 y1 (m) 0.022 0.024 y2(m) 0.091 0.090 2.3.2. Datos calculados teóricamente 2.3.2.1. Cálculo del caudal teórico Se puede calcular despejando el caudal de la ecuación general de resalto hidráulico: O de la ecuación del número de Froude: CÁLCULO DE CAUDAL TEÓRICO y1 (m) 0.022 0.024 y2(m) 0.091 0.090 g (m/s2) 9.81 b: ancho de canal (m) 0.10 Caudal teórico (m3/s) 0.0033311 0.0034753 2.3.2.2. Cálculo de velocidad y tirante crítico . CÁLCULO DE VELOCIDAD Y TIRANTE A1 (m2) 0.0022 0.0024 V1 real (m/s) 1.26027 1.05395 V1 teórico (m/s) 1.51414 1.44806 A2 (m2) 0.0091 0.0090 V2 real (m/s) 0.30468 0.28105 V2 teórico (m/s) 0.36605 0.38615 Yc (m) Real 0.04279 0.04025 Vc (m/s) Real 0.64789 0.62837 Yc (m) Teórico 0.04836 0.04974 Vc (m/s) Teórico 0.68877 0.69853 2.3.2.3. Cálculo de Número de Froude CÁLCULO NÚMERO DE FROUDE TEÓRICO ENSAYO 1 Tipo de Resalto 2.3.2.4. Cálculo de longitud y altura de resalto hidráulico LONGITUD Y ALTURA DE RESALTO LR (m) hresalto (m) 2.3.2.5. Cálculo de la pérdida de potencia PÉRDIDA DE POTENCIA P1 real P2 real Densidad (kg/m3) Var. de potencia real (Watt) P1 teórico P2 teórico Var. de potencia teórico (Watt) 2.3.2.6. Cálculo de eficiencia y pérdida de energía EFICIENCIA y PÉRDIDA DE ENERGÍA E1 real(m) E2 real (m) hf real(m) Eficiencia de salto real E1 teórico(m) E2 teórico(m) hf teórico(m) Eficiencia de salto teórico Emín 2.4. Comparación de resultados teóricos y experimentales Caudal real (m3/s) Caudal teórico (m3/s) y1 (m) y2(m) V1 real (m/s) V1 teórico (m/s) V2 real (m/s) V2 teórico (m/s) Yc (m) Vc (m/s) Se cumple: Se verifica que se da un resalto hidráulico cuando pasa de un flujo supercrítico a subcrítico; como los tirantes van aumentando y las velocidades disminuyendo. Fr2 O también lo podemos comprobar hallando el número de Froude aguas abajo, el cual por teoría debería ser un flujo subcrítico y se da un flujo de ese tipo cuando Fr<1 Los resaltos hidráulicos se pueden clasificar en función al número de Froude del flujo aguas arriba (Fr1) Se da un salto ondular si 1 < Fr1 < 1.7 Se da un salto débil si 1.7 < Fr1 < 2.5 Se da un salto oscilante si 2.5 < Fr1 < 4.5 OBSERVACIONES CONCLUSIONES · Según lo observado en el laboratorio se llega a que el resalto hidráulico puede presentarse bajo las siguientes conclusiones: · En la base de una estructura hidráulica, donde el flujo super critico se sumerge en el estanque. · En un canal con contracciones, donde la velocidad supercrítica es reducida a velocidades subcríticas. · Bajo la apertura de una compuerta cuando pasa el flujo por ella. · A lo largo de un canal donde la altura de velocidades no puede mantenerse por la pendiente. · El resalto puede ocurrir en tuberías o conductos abiertos donde la pendiente cambia y no puede mantenerse el flujo supercrítico. · Podemos ver que los resaltos hidráulicos disipan la energía debido a la disminución de la velocidad del flujo, por lo que se puede utilizar para obras hidráulicas según las solicitaciones de la obra. · Podemos concluir que para números de Froude mayores que 9, el caudal puede generar deterioro del canal además de la socavación y como consecuencia grandes pérdidas, es por esta razón que se debe de consideras con mucha importancia este valor al momento de diseñar canales. RECOMENDACIONES: · Se recomienda trabajar en equipo y de manera ordenada para poder obtener resultados reales y de manera más optima. · Se debe tomar en cuenta que el canal este en buenas condiciones de uso y mantenimiento. · No debe de existir escapes o derrames de agua por los costados de la compuerta. REFERENCIAS · Cassells Vigil, H. (2005). Diseño de una guía metodológica para la elaboración de un plan de gestión ambiental a nivel institucional. Managua: Universidad Nacional Agraria. Recuperado de: https://www.clubensayos.com/Ciencia/FLUJO-R%C3%81PIDAMENTE-VARIADO/2169094.html · Chow, V.T. (1994). Hidraúlica de Canales Abiertos. Santa Fé de Bogotá: McGraw-Hill.Interamericana S.A. https://www.clubensayos.com/Temas-Variados/Informe-Resalto/1283399.html · Luna Méndez, E. (2016). Hidráulica de canales. Principios básicos https://www.imta.gob.mx/biblioteca/libros_html/riego-drenaje/Hidraulica-de-canales.pdf · Manrique Andrade, V. A. (2013). 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