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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° 04: "VERTEDERO RECTANGULAR" 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 : 27-05-2021 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 RECTANGULAR . . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . . 7 2.1.5 PROTOTIPO DEL EXPERIMENTO. . .. . .. . .. . .. . .. . . 8 3 EQUIPOS E INSTRUMENTOS 9 4 PROCEDIMIENTO DE LABORATORIO: 10 4.1 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 10 4.2 RECOLECCIÓN DE DATOS 12 4.3 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS 13 5 CONCLUSIONES 14 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 rectangular 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 rectangular. Ver y conocer el comportamiento de los fluidos en contacto con los vertederos (en este caso rectangular). Aplicar los conocimientos aprendidos en el curso teórico. 1.2 ESPECÍFICOS: Determinar el caudal con las fórmulas semiempíricas en vertedero rectangular 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 RECTANGULAR Este tipo de vertedero se emplea con frecuencia para medir caudales pequeños (inferiores aproximadamente a 6 (l/s). En la Figura se muestra un esquema de la geometría de este tipo de vertedero el angulo θ puede tomar cualquier valor aunque es muy frecuente el angulo de 90°. Para obtener la ecuación general del gasto de un vertedero de pared delgada y sección geométrica rectangular, se considera que su cresta está ubicada a una altura w, medida desde la plantilla del canal de alimentación. El desnivel entre la superficie inalterada del agua, antes del vertedor y la cresta, es h y la velocidad uniforme de llegada del agua es Vo, de tal modo que: V o2 2g + h0 = h0 − h+ y+ V o2 2g Si V o 2 2g es despreciable: v = √ 2g(h− y) el caudal a través del area elemental,es entonces Q= √ 2g(h− y) ∗ ∫ (h− y)0.5(−dy) integrando x = 0 ; y x = H se obtiene: Q= 23 ∗ √ 2gbh 32 por lo tanto: Qteorico= 23 ∗ √ 2gbH 32 Qreal = c23 ∗ √ 2gbH 32 C : coeficiente de descarga Ingeniería Civil 7 CAPÍTULO 2 FUNDAMENTO TEÓRICO 2.1.5 PROTOTIPO DEL EXPERIMENTO Figura 06: esquema del vertedero rectangular.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 8 1 2 3 EQUIPOS E INSTRUMENTOS 3 1. VERTEDERO RECTANGULAR. 2. RECIPIENTE DE 10 LITROS. 3. REGLA MILIMETRADA. 4. SILICONA FRIA. 5. CRONÓMETRO. Figura 07: Materiales. Ingeniería Civil 9 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. Figura 08: Colocación de los vertederos. Ingeniería Civil 10 CAPÍTULO 4 PROCEDIMIENTO DE LABORATORIO: 2. Se vierte agua en el canal correspondiente para el paso de esta sobre el vertedero rectangular (reducido), luego de determina la carga respectiva Para ubicar la medida de Y1, este debe estar ubicado a L >= 10H (tirante de agua en el vertedero). Figura 09: 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 10: Determinación del caudal. Ingeniería Civil 11 CAPÍTULO 4 PROCEDIMIENTO DE LABORATORIO: 4.2 RECOLECCIÓN DE DATOS VERTEDERO RECTANGULAR: h = carga= 0.8cm L = Longitud del tirante = 7.3cm N° Lectura Volumen Acumulado (ml) Tiempo (seg) Caudal=Vol/Tiempo (cm3/s) 01 10000 102 98.03 02 10000 100 100.0 Caudal Promedio = 99.10cm3/s h = carga= 1.1cm L = Longitud del tirante = 7.5cm N° Lectura Volumen Acumulado (ml) Tiempo (seg) Caudal=Vol/Tiempo (cm3/s) 01 10000 75 133.3 02 10000 73 136.9 Caudal Promedio = 135.1cm3/s h = carga= 1.3cm L = Longitud del tirante = 7.9cm N° Lectura Volumen Acumulado (ml) Tiempo (seg) Caudal=Vol/Tiempo (cm3/s) 01 10000 55 181.8 02 10000 55 181.8 Caudal Promedio = 181.8cm3/s h = carga= 1.5cm L = Longitud del tirante = 8.3cm N° Lectura Volumen Acumulado (ml) Tiempo (seg) Caudal=Vol/Tiempo (cm3/s) 01 10000 43 230.0 02 10000 43 230.0 Caudal Promedio = 230.0cm3/s h = carga= 1.6cm L = Longitud del tirante = 8.4cm N° Lectura Volumen Acumulado (ml) Tiempo (seg) Caudal=Vol/Tiempo (cm3/s) 01 10000 35 290 02 10000 35 290 Caudal Promedio = 290cm3/s Ingeniería Civil 12 CAPÍTULO 4 PROCEDIMIENTO DE LABORATORIO: 4.3 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS VERTEDERO RECTANGULAR: Altura de carga (m) Caudal (m3/s) 0.008 0.000099 0.011 0.000135 0.013 0.000182 0.015 0.000233 0.016 0.000286 Caudal teórico (m3) Caudal (m3/s) Cd 0.000131 0.000099 0.76 0.000211 0.000135 0.64 0.000271 0.000182 0.67 0.000336 0.000233 0.69 0.000371 0.000286 0.77 Caudal (m3) Y (m) 0.000099 0.073 0.000135 0.075 0.000182 0.079 0.000233 0.083 0.000286 0.084 Figura 11: Grafico Caudal Vs Tirante. Ingeniería Civil 13 1 2 3 4 5 CONCLUSIONES 5 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 rectangulares. En el vertedero de tipo rectangular se pudo notar que se produce una menor con- centración de agua por lo que esto dificulta el paso del agua, en consecuencia este tipo de vertedero es recomendable para cuando se requiera de un vaciado rápido del canal en cuestión. Ingeniería Civil 14 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. OBJETIVOS GENERALES: ESPECÍFICOS: FUNDAMENTO TEÓRICO VERTEDEROS FUNCIONES DE UN VERTEDERO PARTES CONSTITUTIVAS DE UN VERTEDERO CLASIFICACIÓN DE VERTEDEROS VERTEDERO RECTANGULAR PROTOTIPO DEL EXPERIMENTO EQUIPOS E INSTRUMENTOS PROCEDIMIENTO DE LABORATORIO: PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL RECOLECCIÓN DE DATOS PRESENTACIÓN DE RESULTADOS CONCLUSIONES
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