Laboratório de Mecânica de Fluidos II - IC 338

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN CRISTÓBAL DE
HUAMANGA
FACULTAD DE INGENIERÍA DE MINAS, GEOLOGÍA Y
CIVIL
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
 
LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS II - IC 338
LABORATORIO N° 05: "VERTEDERO TRAPEZOIDAL"
DOCENTE : Ing. QUISPE CUADROS, HERMES
INTEGRANTES:
1. AGUILAR HUICHO,Edgar
2. GARCIA QUISPE, David Sabino
3. GOMEZ HUAMANI, Jose Luis
4. QUISPE LIMAQUISPE, Yhon Milton
GRUPO : Jueves 6 p.m. - 8 p.m.
FECHA DE REALIZACIÓN: 10-06-2021
FECHA DE ENTREGA : 24-05-2021
AYACUCHO - PERÚ
2021
CAPÍTULO 0
 
CONTENIDO
1 OBJETIVOS 1
1.1 GENERALES: 1
1.2 ESPECÍFICOS: 1
2 FUNDAMENTO TEÓRICO 2
2.1 VERTEDEROS 2
2.1.1 FUNCIONES DE UN VERTEDERO . . .. . .. . .. . .. . .. . . 2
2.1.2 PARTES CONSTITUTIVAS DE UN VERT-
EDERO . . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . . 2
2.1.3 CLASIFICACIÓN DE VERTEDEROS . . .. . .. . .. . . 3
2.1.4 VERTEDERO TRAPEZOIDAL . . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . . 7
2.1.5 PROTOTIPO DEL EXPERIMENTO. . .. . .. . .. . .. . . 10
3 EQUIPOS E INSTRUMENTOS 11
4 PROCEDIMIENTO DE LABORATORIO: 14
4.1 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 14
4.2 RECOLECCIÓN DE DATOS 16
4.3 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS 17
5 CONCLUSIONES y
RECOMENDACIONES 18
5.1 CONCLUSIONES 18
5.2 RECOMENDACIONES 18
6 ANEXOS 20
Ingeniería Civil i
INTRODUCCIÓN
Con el estudio de MECÁNICA DE FLUIDOS, logramos conocer las propiedades de los
fluidos, interpretar las leyes que determinan su comportamiento para luego aplicar todos
estos conocimientos a situaciones prácticas.
Un vertedero consiste en una obstrucción en un canal, donde se obliga la descarga del fluido
represado, el cual pasa a través de una abertura con forma determinada. Los vertederos
son ampliamente utilizados para medir el caudal a través del canal; para ello se emplea la
relación entre el nivel de líquido aguas arriba del vertedero y el caudal circulante, es decir,
la altura de la superficies del líquido.
Existen varios tipos de vertederos. Para el desarrollo de ésta practica se utilizará un
vertedero en forma trapezoidal y se determinará los caudales de manera semiempírica y
real para luego comparar ambos resultados.
El grupo
Escuela Profesional de Ingeniería Civil
Universidad Nacional de San Cristóbal de Huamanga
1
OBJETIVOS
1
1.1 GENERALES:
Realizar la calibración del vertedero de cresta delgada de forma trapezoidal.
Ver y conocer el comportamiento de los fluidos en contacto con los vertederos (en
este caso trapezoidal).
Aplicar los conocimientos aprendidos en el curso teórico.
1.2 ESPECÍFICOS:
Determinar el caudal con las fórmulas semiempíricas en vertedero trapezoidal y
comparar con el caudal real.
Estimar el coeficiente de descarga y compararlos con los reportados por otros
investigadores en la literatura.
Ingeniería Civil 1
12
FUNDAMENTO TEÓRICO
2
2.1 VERTEDEROS
Cuando un líquido tiene su superficie libre a cota superior a la de alguna pared del
contorno que lo contiene, vierte por ella a causa de la acción de la gravedad, dicha pared
se convertiría en un vertedero.
El vertedero o aliviadero es una estructura hidráulica destinada a permitir el paso libre
o controlado del agua de forma superficial, el agua vierte por este tipo de estructuras o
paredes como consecuencia de la acción de la gravedad.
2.1.1 FUNCIONES DE UN VERTEDERO
Los vertederos pueden tener diferentes funciones entre ellas tenemos:
Lograr que el nivel de agua en una obra alcance el nivel requerido para cualquier
otra función.
Puede constituir un elemento de seguridad, evacuando las aguas en exceso generadas
durante eventos de máximas crecidas.
Permitir el control del flujo de salida en estructuras hidráulicas, como azudes o
presas.
Controlar caudales y alcanzar una disolución entre aguas negras y aguas blancas en
colectores, desviando los caudales requeridos para la depuración.
Sistema para medición de caudales.
2.1.2 PARTES CONSTITUTIVAS DE UN VERTEDERO
Se denomina cresta, umbral o coronación a la parte más alta de la pared sobre
la que vierte el agua.
Paramentos del vertedero son las paredes o taludes que limitan la obra aguas
arriba y aguas debajo de ellas.
Perfil es la forma de su sección transversal
Altura del vertedero es la altura del paramento de aguas arriba, desde la coro-
nación hasta el fondo.
Lámina vertiente es la forma que adquiere el líquido en su vertido por el umbral.
Ingeniería Civil 2
CAPÍTULO 2 FUNDAMENTO TEÓRICO
 
Longitud de vertedero es la anchura en sentido normal a la lámina vertiente.
Carga h del vertedero es la altura del líquido sobre la coronación, debe ser medida
a cierta distancia del umbral o coronación, aproximadamente a 4h dado que por
aumento de la velocidad en este punto de la cresta, la lámina se deprime ligeramente.
2.1.3 CLASIFICACIÓN DE VERTEDEROS
Los vertederos se clasifican en atención a diversos aspectos:
Según el espesor de la pared:
Vertederos de pared delgada (e/h < 0.67).
Vertederos de pared gruesa o de cresta ancha (e/h≥ 0.67).
Figura 01: Tipos de vertederos según el espesor de la pared.
Los vertederos de pared delgada sirven para medir caudales con gran precisión, y los de
pared gruesa, como integrantes de una presa u otra estructura hidráulica, se utilizan para
controlar niveles, aunque también se pueden instrumentar como medidores de caudales.
Según su forma geométrica:
En vertederos de pared delgada:
(a) Rectangulares.
(b) Triangulares.
(c) Trapezoidales.
(d) Circulares.
Ingeniería Civil 3
CAPÍTULO 2 FUNDAMENTO TEÓRICO
 
(e) Semicirculares.
(f) Parabólicos.
(g) Simétricos.
(h) Asimétricos.
(i) Exponenciales.
En En vertederos de pared gruesa:
(a) Rectangulares de arista viva.
(b) De cresta redondeada y talud vertical.
(c) Cresta redondeada y talud inclinado hacia aguas abajo.
(d) De cresta elíptica y talud inclinado hacia aguas abajo.
(e) Vertedero Cimacio o de Creager.
Figura 02: Diferentes formas de vertederos.
Ingeniería Civil 4
CAPÍTULO 2 FUNDAMENTO TEÓRICO
 
Según la altura de la lámina de agua, aguas abajo:
De acuerdo con el espesor de la lámina de aguas abajo, los vertederos pueden clasificarse
en:
Vertederos de descarga libre.
Vertederos sumergidos o ahogados.
Figura 03: Vertederos operando con lámina libre y lámina sumergida.
Según la longitud de la cresta:
Vertederos sin contracciones laterales (b= B).
Vertederos con contracciones laterales (b < B).
Figura 04: Diferentes vertederos con contracciones laterales.
Ingeniería Civil 5
CAPÍTULO 2 FUNDAMENTO TEÓRICO
 
Según la posición del plano del vertedero con respecto a la dirección de la
corriente:
Vertederos transversales o normales.
Vertederos laterales (comúnmente llamados aliviaderos).
Vertederos oblícuos.
Vertedero de aducción radial o de pozo.
Figura 05: Vertederos transversales, laterales, oblícuos y de pozo.
Ingeniería Civil 6
CAPÍTULO 2 FUNDAMENTO TEÓRICO
 
2.1.4 VERTEDERO TRAPEZOIDAL
El vertedero trapezoidal difiere del rectangular en que sus lados se hallan inclinados
en vez de ser totalmente verticales. A los lados de estos vertederos, por lo regular se
les da una inclinación de cuatro unidades verticales por cada unidad unidad horizontal
(1H:4V). La pendiente asi obtenida es prácticamente suficiente para compensar el efecto
de las contracciones laterales. Cuando se hace esto se dice que el vertedero es del tipo
Cipolleti. El ingeniero Cesare Cipolleti (1886) asumió que por causa de incremento de
contracciones de los lados de la carga incrementada, el decremento de descarga sobre un
vertedero rectangular completamente contraido con un ancho b, sería compensado por
el aumento de descarga por causa de la inclinación de los lados de la sección de control.
Esta compensación entonces, permite el uso de la ecuación de descarga de un vertedero
rectangular.
Aplicando la ecuacion de Bernoulli entre los puntos 0 y 1, despreciando las perdidas de
carga, se tiene:
Z0 +
P0
Y + a0 ∗
v20
2g = Z1 +
P1
Y+ a1 ∗
v21
2g
Reemplazando, se tiene
h+ P (atm)Y + a0 ∗
v20
2g = (h− y) +
P (atm)
Y + a1 ∗
v21
2g
Ingeniería Civil 7
CAPÍTULO 2 FUNDAMENTO TEÓRICO
 
y+ a0 ∗ v
2
0
2g = a1 ∗
v21
2g
donde: a0; a1=coeficientes de corrección por energia cinetica
v0=velocidad de aproximacion En la mayoría de casos v0 se desprecia por ser muy pequeña
en comparación con v1. En flujos turbulentos y uniformes los coeficientes de coriolis son
aproximadamente iguales a 1. despejando v1 de la ecuación anterior, quedando
V1 =
√
v20 + 2g ∗ y
pero v20 = 0 , entonces
V1 =
√
2g ∗ y
en el caudal se obtiene de
dQ= V1 ∗ dA
tan (θ/2) = x/ (H − y)
x= tan
(
θ
2
)
∗ (H − y)
integrando
Qt=
∫
dQt= b
∫H
0
(√
2g ∗ y1/2
)
∗ dy+ 2
√
2g ∗ tan
(
θ
2
)∫H
0 (H − y) ∗ y1/2dy
Qt= b
√
2g
∫H
0
(
y1/2
)
∗ dy+ 2
√
2g ∗ tan
(
θ
2
)(
h
∫H
0 y
1/2dy−
∫H
0 y
3/2dy
)
Qt= b
√
2g
(
2y3/2
3
)H
0
+ 2
√
2g ∗ tan
(
θ
2
)(
2H
3 ∗ y
3/2 − 25 ∗ y
5/2
)H
0
Qt= 23b
√
2gH3/2 + 2
√
2g ∗ tan
(
θ
2
)(
2H5/2
3 −
H5/2
5
)
Qt= 23b
√
2gH3/2 + 2
√
2g ∗ tan
(
θ
2
)(
4H5/2
15
)
Quedando finalmente las expresiones de los vertederos rectangulares y triangulares:
Qt= 23b
√
2gH3/2 + 2
√
2g ∗ tan
(
θ
2
)(
H5/2
)
Ingeniería Civil 8
CAPÍTULO 2 FUNDAMENTO TEÓRICO
 
Como se menciona anteriormente. La geometría de este vertedero es tal que el trapecio
tiene taludes laterales 1H:4V. El procedimiento seguido por el ingeniero Cipolleti para
determinar la pendiente del talud lateral en su vertedero. Este fue el siguiente:
Incremento del caudal debido a las dos escotaduras triangulares, según la ecuación:
Qr = 815Cdt
√
2g ∗ tan
(
θ
2
)(
H5/2
)
Decremento del caudal, debido a las dos contracciones laterales del vertedero rectangular,
según la ecuación:
Q= 23Cdr
(
2h
10
)√
2gH3/2
Q= 215Cdr
√
2gH5/2
Igualando las ecuaciones del vertedero triangular y rectangular, suponiendo Cdr = Cdt ,
se tiene:
8
15Cdt
√
2g ∗ tan
(
θ
2
)(
H5/2
)
= 215Cdr
√
2gH5/2
Obteniéndose:
tan
(
θ
2
)
= 14
Los ensayos realizados por Cipolleti han desmentido la superposición de los caudales
expresados en la ecuación del caudal teórico. Esta fue deducida anteriormente y es practica
usual, aunque errónea, suponer que la descarga a través de un vertedero trapecial es
la suma de los caudales correspondientes a un vertedero rectangular de ancho b y otro
triangular formado por los dos triángulos de las orillas de la escotadura. Esto para la
misma carga H. Cipolleti encontró experimentalmente que Cd = 0,63 10 para la ecuación
de vertederos rectangulares. Con ella se obtiene una formula empírica para un vertedero
Cipolleti, y es:
Q= 23Cd ∗ b
√
2gH3/2
Q= 230.63 ∗ b
√
2 ∗ 9.81H3/2
Q= 1.86 ∗ b ∗H3/2
donde:
b=longitud de la cresta del vertedero, en metros
H=altura observada, en metros
Ingeniería Civil 9
CAPÍTULO 2 FUNDAMENTO TEÓRICO
 
2.1.5 PROTOTIPO DEL EXPERIMENTO
Figura 06: esquema del vertedero trapezoidal.
Determinar el caudal real mediante el método volumétrico utilizando una jarra
graduada y cronometro.
Calcule el coeficiente Cd.
Para ubicar la medida de Y1, este debe estar ubicado a L>=10H (tirante de agua
en el vertedero).
Modifique el caudal en el canal y determine el valor del tirante e Y1.
Realice el gráfico Caudal Vs tirante.
Ingeniería Civil 10
1
2
3 EQUIPOS E INSTRUMENTOS
3
VERTEDERO TRAPEZOIDAL.
Figura 07: Vertedero Trapezoidal.
REGLA MILIMETRADA.
Figura 08: Regla Milimetrada.
Ingeniería Civil 11
CAPÍTULO 3 EQUIPOS E INSTRUMENTOS
 
RECIPIENTE DE 10 L.
Figura 09: Recipiente de 10 L.
CRONOMETRO.
Figura 10: Cronometro.
Ingeniería Civil 12
CAPÍTULO 3 EQUIPOS E INSTRUMENTOS
 
SILICONA FRIA.
Figura 11: Silicona fria.
Ingeniería Civil 13
1
2
3
4 PROCEDIMIENTO DE LABORATORIO:
4
4.1 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
1. Instale el vertedero sobre el canal, asegurándose que no se presenten filtraciones de
flujo por debajo de este. Es decir, garantice que todo el caudal pase por la abertura
del vertedero para ello se hará el uso de silicona fría.
Figura 12: Colocación de los vertederos.
Ingeniería Civil 14
CAPÍTULO 4 PROCEDIMIENTO DE LABORATORIO:
 
2. Se vierte agua en el canal correspondiente para el paso de esta sobre el vertedero
trapezoidal (reducido), luego de determina la carga respectiva.enseguida el tirante
(y1) Para ubicar la medida de Y1, este debe estar ubicado a L >= 10H (tirante de
agua en el vertedero).
Figura 13: Vertido de agua y lectura de h y Tirante.
3. Para los casos anteriores medir el volumen de descarga con un recipiente de 10 L y
el tiempo que demora en llenar cuyo recipiente todo ello se realizara para 5 caudales
diferentes.
Figura 14: Determinación del caudal.
Ingeniería Civil 15
CAPÍTULO 4 PROCEDIMIENTO DE LABORATORIO:
 
4.2 RECOLECCIÓN DE DATOS
VERTEDERO TRAPEZOIDAL:
h = carga= 1.1cm L = Longitud del tirante = 5.5cm
N° Lectura Volumen Acumulado (ml) Tiempo (seg) Caudal=Vol/Tiempo (cm3/s)
01 10000 71 140.8
02 10000 71 140.8
Caudal Promedio = 140.8cm3/s
h = carga= 1.2cm L = Longitud del tirante = 5.75cm
N° Lectura Volumen Acumulado (ml) Tiempo (seg) Caudal=Vol/Tiempo (cm3/s)
01 10000 61 169.49
02 10000 59 163.93
Caudal Promedio = 166.7cm3/s
h = carga= 1.55cm L = Longitud del tirante = 6.2cm
N° Lectura Volumen Acumulado (ml) Tiempo (seg) Caudal=Vol/Tiempo (cm3/s)
01 10000 45 222.22
02 10000 43 232.55
Caudal Promedio = 227.3cm3/s
h = carga= 1.7cm L = Longitud del tirante = 6.4cm
N° Lectura Volumen Acumulado (ml) Tiempo (seg) Caudal=Vol/Tiempo (cm3/s)
01 10000 36 276.20
02 10000 34 294.10
Caudal Promedio = 285.70cm3/s
h = carga= 0.9cm L = Longitud del tirante = 5.1cm
N° Lectura Volumen Acumulado (ml) Tiempo (seg) Caudal=Vol/Tiempo (cm3/s)
01 10000 85 117.6
02 10000 85 117.6
Caudal Promedio = 117.6cm3/s
Ingeniería Civil 16
CAPÍTULO 4 PROCEDIMIENTO DE LABORATORIO:
 
4.3 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS
VERTEDERO TRAPEZOIDAL:
Altura de carga (m) Caudal (m3/s)
0.011 0.0001408
0.012 0.0001667
0.0155 0.0002273
0.017 0.0002857
0.009 0.0001176
Caudal teórico (m3) Caudal (m3/s) Cd
0.000194 0.0001408 0.73
0.000221 0.0001667 0.75
0.000325 0.0002273 0.70
0.000373 0.0002857 0.77
0.000144 0.0001176 0.82
Caudal (m3) Y (m)
0.000141 0.055
0.000167 0.0575
0.000227 0.062
0.000285 0.064
0.000118 0.051
Figura 15: Grafico Caudal Vs Tirante.
Ingeniería Civil 17
1
2
3
4
5 CONCLUSIONES y
RECOMENDACIONES
5
5.1 CONCLUSIONES
Se observó de manera satisfactoria el comportamiento de los fluidos en contacto con
los vertederos y los efectos que este tiene de acuerdo al caudal.
Se pudo estimar con éxito el coeficiente de descarga viendo que se aproxima al valor
que establece los diferentes autores .
Se logró establecer experimentalmente fórmulas semiempíricas para los vertederos
trapezoidales.
Con la ayuda de la gráfica se logro calibrar adecuadamente.
5.2 RECOMENDACIONES
Al momento de tomar las medidas se debe hacer con la mayor precision posible.
El agua que se suministra al canal debe tener un caudal constante.
Ingeniería Civil 18
BIBLIOGRAFÍA
[1] Hidraúlica de tuberías y canales, Rocha F. Arturo, Labograph Industrias E.I.R.L.,
Primera edición.
[2] Mecánica de fluidos, Streeter L. Victor, Wylie Benjamin E., Bedford Keith W.,
Editorial McGraw-Hill, Novena edición.
[3] Mecánica de fluidos, Mott Robert L., Editorial Pearson Educación, Sexta edición.
[4] ING. Luis S, Julio M. calibración de vertederos trapezoidales tipo cipolletti de pared
delgada de ancho variable. Universidad de san Carlos de Guatemala.(2016).
1
23
4
5 6 ANEXOS
6
Figura 16: Colocación del vertedero.
Figura 17: Medición del tirante (y1).
Ingeniería Civil 20
CAPÍTULO 6 ANEXOS
 
Figura 18: Regulación de Caudales.
Figura 19: Trabajando en equipo.
Ingeniería Civil 21
	OBJETIVOS
	GENERALES:
	ESPECÍFICOS:
	FUNDAMENTO TEÓRICO
	VERTEDEROS
	FUNCIONES DE UN VERTEDERO
	PARTES CONSTITUTIVAS DE UN VERTEDERO
	CLASIFICACIÓN DE VERTEDEROS
	VERTEDERO TRAPEZOIDAL
	PROTOTIPO DEL EXPERIMENTO
	EQUIPOS E INSTRUMENTOS
	PROCEDIMIENTO DE LABORATORIO:
	PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
	RECOLECCIÓNDE DATOS
	PRESENTACIÓN DE RESULTADOS
	CONCLUSIONES y RECOMENDACIONES
	CONCLUSIONES
	RECOMENDACIONES
	ANEXOS