SEMANA 13 - GRUPO 6

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MECÁNICA DE FLUIDOS II
SEMANA 13
PROFESOR: ING. VELARDE VILLAR, OSCAR 
INTEGRANTES:
Hernández Calderón Jesús
Nobile Zegarra Renato Alexander
Nuñez Pereyra Alex Daniel
Ortiz Samaniego Joseph Christian
Sosa Romani, Maite
Carlos Villareal, Bill
Mamani Castro Reyneiro Francisco
Flores Ticuña Arnold Francisco
CICLO: 2021 – 1
SEMANA 12:
Segunda sesión de la semana 12:
Introducción, medición de flujo en conductos abiertos. Sistemas de control de flujo
MEDICION DE FLUJO EN CANAL ABIERTO
Los canales y vertederos son algunos de los elementos mas comunes que son empleados para la medición de flujo en canales abiertos. Su diseño incluye una estrangulación interna que permite una aceleración al flujo para forzar un cambio de régimen, dando por resultado un incremento de nivel que es proporcional el flujo.
Existen diversos diseños, en canales el mas conocido es el Parshall y el tipo Khagafi-Venturi. Dentro de los vertederos los diseños rectangulares y en “V” son los utilizados. Pueden ser fabricado en diferentes tamaños y varios materiales como fibra de vidrio, polipropileno, acero y concreto.
Los canales abiertos son pasos estrechos de control de caudal en un conducto, cuyas secciones pueden presentar distintas formas. Estos pasos estrechos son simétricos con respecto al eje del canal. Hay canales abiertos con y sin alzamiento del lecho. Se recomienda una verificación del diseño en caudales elevados para evitar que se acumulen sedimentos en el paso estrecho
Los pasos estrechos en un canal con caudales de descarga crean en principio un “canal venturi”. En este tipo de pasos estrechos, el agua se ve obligada a remansarse en el frente de entrada al canal abierto. El nivel de esta entrada de agua permite determinar el caudal o el volumen de descarga.
Para asegurar el correcto funcionamiento de este tipo de sistema de medición, el canal, el paso estrecho y el nivel aguas abajo, deben cumplir unos principios de diseño determinados. Las dimensiones del canal abierto deben establecerse de modo que en el paso estrecho tenga lugar un cambio de estado de circulación del fluido, por ejemplo. Que se de una transición de circulación “tranquila” a “rápida” y otra vez a tranquila.
Los propios usuarios pueden construir canales abiertos en concordancia con los estándares conocidos, o bien los mismos fabricantes de sistemas de medición lo ofrecen como una unidad de medición más. Para los modelos de canales abiertos ya establecidos, como los de tipo Parshall, los fabricantes disponen de ecuaciones de descarga especiales deducidas empíricamente a partir de los ya construido. La forma general de estas ecuaciones viene dada por la expresión.
Donde:
Qv: Caudal volumétrico.
K: Coeficiente (dependiente de la geometría del canal abierto, de la velocidad de incidencia y del factor de descarga dependiente del rozamiento).
b: Anchura del paso estrecho.
h: Nivel del agua (altura hidrostática) antes del paso estrecho (el valor del exponente n suele estar entre 1,5 y 1,8)​
El coeficiente K está documentado en las correspondientes publicaciones ISO para una gran cantidad de tamaños y geometrías
Este tipo de canales es recomendado para aplicaciones donde se tengan concentraciones moderadas de arena, grava u otros materiales pesados y en donde las velocidades de llegada del fluido al llegar al canal sean subcríticas.
CANAL PARSHALL
El canal Parshall es uno de los sistemas de medida de caudal en canal abierto más utilizados. La precisión del sistema requiere de diferentes factores a tener en cuenta durante su puesta en marcha así como en la instalación del mismo. 
1- El elemento que produce la variación de nivel. ( El canal Parshall ) 
2- la unidad de medida y control 
3- La instalación del propio canal y del sensor de nivel El volumen del agua se calcula con la función matemática que la norma ISO 1438 indica,
En donde el exponente (x) y la cte. K dependen del vertedero o canal. 
El procesador de caudal tiene diferentes sistemas de linealización en los que cada uno depende de la forma en que se mide el agua. 
Canal Parshall prefabricado. 
Hay varios proveedores que los suministran en material plástico reforzado con fibra, desde 1" hasta 10" de garganta preparados para encofrar en la misma instalación. 
Estos canales aseguran una relación precisa entre el nivel de la lámina de agua y el caudal que fluye a través de la garganta.
Detalles de instalación del canal Parshall: 
Para un correcto sistema de medida, se deben de considerar los siguientes puntos: 
1-Considerar distancias mínimas recomendadas para el canal de aproximación. 
2- Paredes rectas y a escuadra 
3-Situar el canal prefabricado sobre un lecho de arena. Utilizando la madera contrachapada del canal. nivelar longitudinalmente y transversalmente tanto el canal de aproximación como el del canal de medición. Debe estar perfectamente nivelado.
4- Los canales disponen de unas flechas que indican el sentido de circulación del agua. Se debe d e respectar dicha orientación. 
5-Anclar con puntos fijos de nivelación ambos canales ( medición y aproximación ). rellenar los exteriores de los laterales con hormigón líquido hasta 1/3 de su altura. Rellenar el resto con tierras de excavación u hormigón líquido según convenga. 
6-Deben de evitarse al máximo remolinos. Para ello, se puede rellenar con rellenos elásticos de unos 20 mm la entrada y salida de la zona del canal tanto entrada como salida. 
7-Sellar las juntas entre los canales de aproximación y de medida con cola de silicona o masilla de poliuretano. 
Detalle a modo de ejemplo:
Según el caudal, existen diferentes montajes con su separación correspondiente.
La fórmula que determina el caudal instantáneo en función de la altura es:
Siendo K y n constantes ( Q en m3/h ). 
ha nivel de agua antes de la garganta.
Condiciones de medida: 
Con caudal libre se mide únicamente el nivel ha -Nivel de agua antes de la garganta. Es preciso tener flujo laminar sin remolinos y sin obstrucciones ni el la boca ni en la salida.
 
Según normativa, antes del punto de medición, el canal tiene que extenderse al menos 10 veces la anchura de la entrada del canal.
Una vez seleccionado el canal adecuado, la unidad de control hace los cálculos correspondientes considerando los valores de dimensiones conocidos.
Sistemas de control de flujo
Para esto tenemos estructuras de control, que son elementos habituales en canales y tienen como fin:
Incremento del nivel de agua, por ejm: para una profundidad navegable suficiente para barcos, utilización de la energía hidráulica, protección de la erosión a través de una velocidad de flujo reducida 
Regulación de la descarga 
 Medición de la descarga
Los vertederos y compuertas son estructuras de control típicas. La diferencia entre estas es si fluyen por encima (vertedero) o fluyen por debajo (compuerta). Existen estructuras de control fijas y móviles. Las compuertas suelen ser móviles y pueden regular el nivel de agua y la descarga. Los posibles movimientos son: elevación, inmersión, giro, inclinación, rodadura o combinaciones de estos movimientos. Los vertederos pueden ser fijos o móviles. Los vertederos fijos no pueden regular el nivel de agua pero, sin embargo, ofrecen la ventaja de que no contienen piezas móviles propensas a averías y que requieren mantenimiento
En el área de las estructuras de control se produce una transición de flujo de subcrítico a supercrítico. 
Las estructuras de control reales constan de los componentes siguientes: 
• cuerpo de retención (genera el incremento del nivel de agua); puede ser fijo, móvil o una combinación de ambos 
• cuenco de disipación: disipación de energía de la descarga 
• afirmado del cauce aguas arriba y aguas abajo, estructuras de conexión (muro lateral del vertedero)
• estructuras para la consistencia ecológica
Estructuras de control: flujo a través de vertederos fijos
Los vertederos fijos se suelen utilizar para embalsar ríos. El vertedero consta en sí de un cuerpo de retención. El momento aplicado de la presión de aguaes compensado por el peso del muro de contención. Por esta razón, los vertederos se suelen construir de modo que los contornos externos correspondan aproximadamente a un triángulo. El dorso del vertedero puede diseñarse para favorecer al flujo y así lograr la descarga Q más grande posible.
Estructuras de control: tipos de caída en el vertedero
Existen dos tipos de caída: la llamada caída sobre cresta delgada y la caída hidrodinámica. En ambos tipos de caída, la condición de la caída puede ser libre o de chorro sumergido. 
En la caída sobre cresta delgada es importante que la napa se airee para que caiga libremente. Si no hay aireación pueden producirse perturbaciones y, por tanto, una reducción de la descarga. 
En la caída hidrodinámica del vertedero fijo es importante evitar separaciones del chorro (descarga reducida) y depresiones demasiado grandes (peligro de cavitación).
Estructuras de control: cálculo de la descarga en el vertedero
El cálculo de la descarga desempeña un importante papel en el flujo sobre estructuras de control. Para calcular la descarga se utiliza la ecuación de Poleni. Para un vertedero con caída libre se aplica:
Donde:
μ = es un factor, que considera la geometría del vertedero.
b = es la anchura de cresta del vertedero.
ho = la altura.
Estructuras de control: presas-vertedero de perfi l Ogee
se utilizan preferiblemente como presas de retención y aliviaderos de crecidas. Suelen tener un perfil de vertedero que favorece el flujo.
Estructuras de control: vertederos de cresta delgada
También en el vertedero de cresta delgada hay una caída libre y un chorro sumergido. Para la descarga óptima en el vertedero de cresta delgada es importante airear la napa. En la parte superior e inferior de la napa aireada hay presión ambiente.
Estructuras de control: vertederos de cresta ancha
Los vertederos de cresta ancha se caracterizan porque una pequeña sección de descarga prácticamente uniforme con profundidad crítica se produce en la cresta del vertedero. En esta sección se genera una distribución de presión hidrostática y las líneas de corriente se extienden casi horizontalmente. Estas condiciones se aplican siempre que la relación de la altura respecto a la longitud del vertedero ho/L esté entre 0,08 y 0,5. Los vertederos de cresta ancha con estas dimensiones también pueden utilizarse como vertederos de aforo.
En la actualidad, por motivos ecológicos, se instalan raras veces vertederos de cresta ancha como umbral en un río. En su lugar se monta una rampa para que los peces y otros animales acuáticos puedan nadar río arriba.
Estructuras de control: vertedero de sifón
Forma parte de los vertederos fijos,se utiliza como aliviadero de crecidas. Cuando el nivel de agua del embalse aumenta justo por encima de la cresta del vertedero del cuerpo de retención, el sifón se acciona y se produce brevemente una caída libre. Si el nivel de agua aumenta ligeramente, es decir, con un ligero aumento de la descarga, el deflector desvía el chorro de agua hacia la cubierta del sifón. Esto provoca una evacuación en el tubo del sifón, de modo que se produce una descarga de presión en el tubo con flujo total. Esta descarga en presión tiene una alta capacidad de descarga, que apenas aumenta si el nivel de agua sigue aumentado.
Si el nivel de agua del embalse vuelve a bajar, quedando por debajo del borde del labio de entrada, se aspira aire en el sifón y se airea el sifón. Esto detiene bruscamente el fl ujo de agua.
Estructuras de control: flujo bajo compuertas
En las compuertas también hay descargas libres y sumergidas. La descarga produce la contracción del chorro, que se denomina “vena contracta” (profundidad de descarga mínima h1). La descarga libre prevalece siempre que la descarga fluya bajo la compuerta sin perturbaciones y no se produzcan remansos desde aguas abajo de la compuerta. En la descarga libre hay una descarga supercrítica directamente después de la compuerta. Al igual que con el flujo sobre vertederos, la descarga libre Q se calcula a partir de la ecuación de Bernoulli, el principio del momento lineal y la ecuación de continuidad, obteniendo
Donde:
μ = coeficiente de descarga.
b = anchura de la compuerta.
a= abertura de la compuerta.