COMPORTAMIENTO HIDR_ULICO EN C_MARAS DE INSPECCI_N DE 90 GRADOS CON FLUJO.pdf

8/12/2019 COMPORTAMIENTO HIDR_ULICO EN C_MARAS DE INSPECCI_N DE 90 GRADOS CON FLUJO.pdf

1/119

FACULTAD DE INGENIERA

DEPARTAMENTO DE INGENIERA CIVIL Y AMBIENTAL

PREGRADO EN INGENIERA CIVIL

Presentado por:

DANIEL RICARDO VARELA ROMERO

COMPORTAMIENTO HIDRULICO EN CMARAS DE INSPECCIN DE 90 GRADOS CON FLUJOSUPERCRTICO: MODELACIN FSICA.


2/119

Universidad de los AndesDepartamento de Ingeniera Civil y AmbientalCentro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados CIACUA Comportamiento hidrulico en cmaras de inspeccin de 90 grados

con flujo supercrtico: modelacin fsica.

El presente documento es el resultado de una investigacin realizada como proyecto de grado, pormedio del cual finalizo mi pregrado como ingeniero civil de la Universidad de los Andes.


3/119



CONTENIDO

1. INTRODUCCIN ..........................................................................................................................1

1.1 OBJETIVOS ..............................................................................................................................2

Objetivo General ............................................................................................................................2

Objetivos Especficos ......................................................................................................................2

2. ANTECEDENTES ..........................................................................................................................3

3. MARCO CONCEPTUAL ................................................................................................................7

3.1 Generalidades ....................................................................................................................73.2 Caracterizacin del flujo .....................................................................................................7

3.3 Propiedades geomtricas de tubera circular fluyendo parcialmente llena .......................9

3.4 Flujo supercrtico en cmaras de unin de 90 (Gissoni y Hager, 2002) ...........................11

3.4.1 Descripcin del experimento ....................................................................................11

3.4.2 Resultados ................................................................................................................123.5 Comportamiento Hidrulico de Cmaras de Inspeccin Bajo Condiciones de FlujoSupercrtico (CIACUA ,2011). ........................................................................................................16


4/119



5.3.2. Instrumentos de medicin ........................................................................................37

6. PROCEDIMIENTO DE MEDICIN ...............................................................................................39

7. ANLISIS DE RESULTADOS ........................................................................................................42

7.1. Anlisis de ondas ..............................................................................................................42

7.1.1. Flujo directo..................................................................................................................42

7.1.2. Flujo lateral ...................................................................................................................44

7.1.3. Unin de flujos .............................................................................................................47

8. CONCLUSIONES ........................................................................................................................51

9. RECOMENDACIONES ................................................................................................................53

10. BIBLIOGRAFA .......................................................................................................................54

11. ANEXOS ................................................................................................................................55


5/119



NDICE DE TABLAS

Tabla 1.Caracterizacin del flujo segn nmero de Froude . Hager (2002). .......................................8Tabla 2.Tabla tcnica de sensores de caudal. ...................................................................................37Tabla 3. Tabla tcnica de sensores de nivel. .....................................................................................38Tabla 4.Optimizacon del orden de medicin de las configuraciones. ..............................................40Tabla 5. Orden de medicin de las distintas configuraciones en el montaje. ...................................41Tabla 6. Datos de nivel de agua para flujo directo con cada 0Do - Prueba No 1. ............................55Tabla 7. Datos de nivel de agua para flujo directo con cada 0Do - Prueba No 2. ............................55Tabla 8. Datos de nivel de agua para flujo directo con cada 0Do - Prueba No 3. ............................56Tabla 9. Datos de nivel de agua para flujo directo con cada 0Do - Prueba No 4. ............................56Tabla 10. Datos de nivel de agua para flujo directo con cada 0Do - Prueba No 5. ..........................57Tabla 11. Datos de nivel de agua para flujo directo con cada 0Do - Prueba No 6. ..........................57Tabla 12. Datos de nivel de agua para flujo directo con cada 0Do - Prueba No 7. ..........................58Tabla 13. Datos de nivel de agua para flujo lateral con cada 0Do - Prueba No 1. ...........................58Tabla 14. Datos de nivel de agua para flujo lateral con cada 0Do - Prueba No 2. ...........................59Tabla 15. Datos de nivel de agua para flujo lateral con cada 0Do - Prueba No 3. ...........................59Tabla 16. Datos de nivel de agua para flujo lateral con cada 0Do - Prueba No 4. ...........................60Tabla 17. Datos de nivel de agua para unin de flujos con cada 0Do - Prueba No 1. ......................60Tabla 18. Datos de nivel de agua para unin de flujos con cada 0Do - Prueba No 2. ......................61Tabla 19. Datos de nivel de agua para unin de flujos con cada 0Do - Prueba No 3. ......................61


6/119



Tabla 35. Datos de Nivel de agua en unin de flujos para cada lateral 0.75Do - Prueba No 6. .......69Tabla 36. Datos de Nivel de agua en unin de flujos para cada lateral 0.75Do - Prueba No 7. .......70Tabla 37. Datos de Nivel de agua en unin de flujos para cada lateral 0.75Do - Prueba No 8. .......70Tabla 38. Propiedades geomtricas e hidrulicas-Flujo directo para cadas 0Do - Prueba No 1. ....71Tabla 39.Propiedades geomtricas e hidrulicas-Flujo directo para cadas 0Do - Prueba No 2. ......72Tabla 40.Propiedades geomtricas e hidrulicas-Flujo directo para cadas 0Do - Prueba No 3. ......73Tabla 41.Propiedades geomtricas e hidrulicas-Flujo directo para cadas 0Do - Prueba No 4. ......74Tabla 42.Propiedades geomtricas e hidrulicas-Flujo directo para cadas 0Do - Prueba No 5 .......75Tabla 43.Propiedades geomtricas e hidrulicas-Flujo directo para cadas 0Do - Prueba No 6. ......76Tabla 44.Propiedades geomtricas e hidrulicas-Flujo directo para cadas 0Do - Prueba No 7. ......77Tabla 45.Propiedades geomtricas e hidrulicas-Flujo Lateral para cadas 0Do - Prueba No 1........78Tabla 46.Propiedades geomtricas e hidrulicas-Flujo Lateral para cadas 0Do - Prueba No 2........79Tabla 47.Propiedades geomtricas e hidrulicas-Flujo Lateral para cadas 0Do - Prueba No 3........80Tabla 48.Propiedades geomtricas e hidrulicas-Flujo Lateral para cadas 0Do - Prueba No 4........81Tabla 49.Propiedades geomtricas e hidrulicas-Unin de flujos para cadas 0Do - Prueba No 1. ..82Tabla 50.Propiedades geomtricas e hidrulicas-Unin de flujos para cadas 0Do - Prueba No 2. ..83Tabla 51.Propiedades geomtricas e hidrulicas-Unin de flujos para cadas 0Do - Prueba No 3. ..84Tabla 52. Propiedades geomtricas e hidrulicas-Unin de flujos para cadas 0Do - Prueba No 4. .85Tabla 53.Propiedades geomtricas e hidrulicas-Unin de flujos para cadas 0Do - Prueba No 5. ..86Tabla 54.Propiedades geomtricas e hidrulicas-Unin de flujos para cadas 0Do - Prueba No 6. ..87Tabla 55.Propiedades geomtricas e hidrulicas-Unin de flujos para cadas 0Do - Prueba No 7. ..88Tabla 56.Propiedades geomtricas e hidrulicas-Unin de flujos para cadas 0Do - Prueba No 8. ..89


7/119



Tabla 64.Propiedades geomtricas e hidrulicas-Unin de flujos para cada lateral 0.75Do - PruebaNo 3. .................................................................................................................................................97Tabla 65.Propiedades geomtricas e hidrulicas-Unin de flujos para cada lateral 0.75Do - PruebaNo 4. .................................................................................................................................................98Tabla 66.Propiedades geomtricas e hidrulicas-Unin de flujos para cada lateral 0.75Do - PruebaNo 5. .................................................................................................................................................99Tabla 67.Propiedades geomtricas e hidrulicas-Unin de flujos para cada lateral 0.75Do - PruebaNo 6. ...............................................................................................................................................100Tabla 68.Propiedades geomtricas e hidrulicas-Unin de flujos para cada lateral 0.75Do - PruebaNo 7. ...............................................................................................................................................101Tabla 69.Propiedades geomtricas e hidrulicas-Unin de flujos para cada lateral 0.75Do - PruebaNo 8. ...............................................................................................................................................102


8/119



NDICE DE FIGURAS

Figura 1.Propiedades geomtricas de una seccin circular fluyendo parcialmente llena. FUENTE:Notas de clase de sistemas integrados de drenaje urbano, Juan Saldarriaga. ...................................9Figura 2. Configuracin del experimento de Hager y Gissoni (2002)................................................11Figura 3.Onda tipo A (Flujo directo). ................................................................................................17Figura 4.Ondas tipo C y D (Flujo lateral). ..........................................................................................19Figura 5.Ondas tipo E (Unin de flujos). ...........................................................................................21Figura 6. Detalle de la cmara de inspeccin. ..................................................................................26Figura 7. Detalle del montaje experimental realizado en el Laboratorio de Hidrulica de laUniversidad de los Andes. ................................................................................................................28Figura 8.Diseo del canal de conduccin (Cauela). ........................................................................30Figura 9.Modelo tridimensional para el diseo del canal de conduccin. ........................................31Figura 10. Detalle de la estructura de medicin de niveles en la cmara.........................................36Figura 11. Anlisis de curva de remanso para unin de flujos. .........................................................49Figura 12.Perfil del Flujo directo para cada 0Do - Prueba No 1. ......................................................71Figura 13.Perfil del Flujo directo para cada 0Do - Prueba No 2. ......................................................72Figura 14.Perfil del Flujo directo para cada 0Do - Prueba No 3. ......................................................73Figura 15.Perfil del Flujo directo para cada 0Do - Prueba No 4. ......................................................74Figura 16.Perfil del Flujo directo para cada 0Do - Prueba No 5. ......................................................75Figura 17.Perfil del Flujo directo para cada 0Do - Prueba No 6. ......................................................76Figura 18.Perfil del Flujo directo para cada 0Do - Prueba No 7. ......................................................77


9/119



Figura 34.Perfil del Flujo lateral en unin de flujos para cada 0Do - Prueba No 6. ..........................87Figura 35.Perfil del Flujo directo en unin de flujos para cada 0Do - Prueba No 7..........................88Figura 36.Perfil del Flujo lateral en unin de flujos para cada 0Do - Prueba No 7. ..........................88Figura 37.Perfil del Flujo directo en unin de flujos para cada 0Do - Prueba No 8..........................89Figura 38.Perfil del Flujo lateral en unin de flujos para cada 0Do - Prueba No 8. ..........................89Figura 39.Perfil del Flujo lateral para cada 0.75Do - Prueba No 1. ..................................................90Figura 40.Perfil del Flujo lateral para cada 0.75Do - Prueba No 2. ..................................................91Figura 41.Perfil del Flujo lateral para cada 0.75Do - Prueba No 3. ..................................................92Figura 42.Perfil del Flujo lateral para cada 0.75Do - Prueba No 4. ..................................................93Figura 43.Perfil del Flujo lateral para cada 0.75Do - Prueba No 5. ..................................................94Figura 44.Perfil del Flujo directo en unin de flujos para cada lateral 0Do - Prueba No 1..............95Figura 45.Perfil del Flujo lateral en unin de flujos para cada lateral 0.75Do - Prueba No 1...........95Figura 46.Perfil del Flujo directo en unin de flujos para cada lateral 0Do - Prueba No 2..............96Figura 47.Perfil del Flujo lateral en unin de flujos para cada lateral 0.75Do - Prueba No 2...........96Figura 48.Perfil del Flujo directo en unin de flujos para cada lateral 0Do - Prueba No 3..............97Figura 49.Perfil del Flujo lateral en unin de flujos para cada lateral 0.75Do - Prueba No 3...........97Figura 50.Perfil del Flujo directo en unin de flujos para cada lateral 0Do - Prueba No 4..............98Figura 51.Perfil del Flujo lateral en unin de flujos para cada lateral 0.75Do - Prueba No 4...........98Figura 52.Perfil del Flujo directo en unin de flujos para cada lateral 0Do - Prueba No 5..............99Figura 53.Perfil del Flujo lateral en unin de flujos para cada lateral 0.75Do - Prueba No 5...........99Figura 54.Perfil del Flujo directo en unin de flujos para cada lateral 0Do - Prueba No 6............100Figura 55 .Perfil del Flujo lateral en unin de flujos para cada lateral 0.75Do - Prueba No 6. .......100


10/119



NDICE DE FOTOGRAFAS

Fotografa 1. Cmara de inspeccin utilizada. ..................................................................................27Fotografa 2.Estructura de conexin. ...............................................................................................27Fotografa 3. Modelo construido en el laboratorio de Hidrulica de la Universidad de los Andes. ..29Fotografa 4. Molde de espuma. ......................................................................................................32Fotografa 5. Proceso de lijado del primer molde. ...........................................................................32Fotografa 6. Pulimiento con masilla gruesa. ...................................................................................32Fotografa 7. Pulimiento con masilla fina. ........................................................................................32Fotografa 8. Anillos de acero para segundo molde. ........................................................................33Fotografa 9. Lamina de poliestireno para segundo molde. .............................................................33Fotografa 10. Lubricacin del molde terminado. ............................................................................34Fotografa 11. Fundicin de la fibra de vidrio. ..................................................................................34Fotografa 12. Definicin de aristas del modelo. ..............................................................................34Fotografa 13. Pulimiento final de detalles. ......................................................................................34Fotografa 14. Cauela terminada (A) ..............................................................................................35Fotografa 15. Cauela terminada (B) ..............................................................................................35Fotografa 16.Estructura de medicin de nivel en tuberas. .............................................................36Fotografa 17. Caudalmetro tuberas. .............................................................................................37Fotografa 18. Pantalla del caudalmetro. ........................................................................................37Fotografa 19. Sensor de medicin de nivel de flujo. .......................................................................38Fotografa 20. Formacin de Onda tipo A en flujo directo. .............................................................43


11/119



NDICE DE ECUACIONES

Ecuacin 1. Nmero de Froude para conductos circulares parcialmente llenos. ...............................7Ecuacin 2.Simplificacin de la ecuacin de nmero de Froude (Hager ,1999). ................................8Ecuacin 3.ngulo que describe la seccin transversal mojada. ......................................................10Ecuacin 4.rea Mojada...................................................................................................................10Ecuacin 5.Ancho Superficial ...........................................................................................................10Ecuacin 6.Profundidad Hidrulica ..................................................................................................10Ecuacin 7.Permetro Mojado ..........................................................................................................10Ecuacin 8.Radio Hidrulico .............................................................................................................10Ecuacin 9.Altura Relativa Onda B. Fuente: (Gissoni y Hager ,2002). ..............................................12Ecuacin 10.Altura Relativa Onda J. Fuente: (Gissoni y Hager ,2002). .............................................13Ecuacin 11.Localizacin en x de la Onda J. Fuente: (Gissoni y Hager, 2002). .................................13Ecuacin 12. Altura Relativa Onda S para flujo directo. Fuente: (Gissoni y Hager ,2002). ...............13Ecuacin 13.Altura Relativa Onda S para flujo lateral. Fuente: (Gissoni y Hager ,2002). .................14Ecuacin 14.Altura Relativa Onda S para unin de flujos. Fuente: (Gissoni y Hager ,2002). ............14Ecuacin 15. Capacidad de descarga de la cmara para flujo solo directo o lateral. Fuente: (Gissoniy Hager, 2002). .................................................................................................................................15Ecuacin 16. Nmero de Froude de descarga mximo de la cmara para flujo solo directo o lateral.Fuente: (Gissoni y Hager, 2002). ......................................................................................................15Ecuacin 17. Nmero de Froude de descarga mximo de la cmara para unin de flujos. Fuente:(Gissoni y Hager, 2002). ...................................................................................................................16


12/119



Ecuacin 29. Nmero de Froude de la tubera de entrada lateral. Fuente: (CIACUA, 2011). ...........21Ecuacin 30. Cada de la tubera de entrada lateral. Fuente: (CIACUA, 2011)..................................21Ecuacin 31. Regresin para altura mxima Onda tipo C en unin de flujos, incluidas todas lasvariables. Fuente: (CIACUA, 2011). ..................................................................................................23Ecuacin 32. Regresin para altura mxima Onda tipo C en unin de flujos, sin incluir todas lasvariables. Fuente: (CIACUA, 2011). ..................................................................................................23Ecuacin 33. Altura mxima Onda tipo C para unin de flujos. Fuente: (CIACUA, 2011). ................23Ecuacin 34. Relacin de llenado de la tubera de entrada principal para unin de flujos. Fuente:(CIACUA, 2011). ................................................................................................................................23Ecuacin 35. Relacin de llenado de la tubera de entrada lateral para unin de flujos. Fuente:(CIACUA, 2011). ................................................................................................................................23Ecuacin 36. Nmero de Froude de la tubera de entrada principal para unin de flujos. Fuente:(CIACUA, 2011). ................................................................................................................................23Ecuacin 37. Nmero de Froude de la tubera de entrada lateral para unin de flujos. Fuente:(CIACUA, 2011). ................................................................................................................................24Ecuacin 38. Cada de la tubera de entrada principal para unin de flujos. Fuente: (CIACUA, 2011).

.........................................................................................................................................................24Ecuacin 39. Cada de la tubera de entrada lateral para unin de flujos. Fuente: (CIACUA, 2011). 24Ecuacin 40. Regresin para altura mxima Onda tipo E en unin de flujos, incluidas todas lasvariables. Fuente: (CIACUA, 2011). ..................................................................................................25Ecuacin 41. Regresin para altura mxima Onda tipo E en unin de flujos, sin incluir todas lasvariables. Fuente: (CIACUA, 2011). ..................................................................................................25


13/119



GLOSARIO DE TRMINOS Aguas abajo: En hidrulica, hace referencia a la zona posterior a un volumen de control, en la

direccin del flujo.

Aguas arriba: En hidrulica, hace referencia a la zona anterior a un volumen de control, en ladireccin del flujo.

Aguas lluvias: Aguas provenientes de la precipitacin pluvial.

Aguas residuales: Desechos lquido provenientes de residencias, edificios, locales comerciales,

instituciones, fbricas o industrias.

Alcantarillado: Conjunto de obras para la recoleccin, conduccin, tratamiento y disposicinfinal de las aguas residuales o de las aguas lluvias.

Ancho superficial: Es el ancho de la seccin de la tubera en la superficie libre.

rea mojada: Es el rea de la seccin transversal del flujo perpendicular a la direccin del

flujo.

Cmara de cada: Estructura utilizada para dar continuidad al flujo cuando una tubera llega a

una altura considerable respecto de la tubera de salida.

Cmara de inspeccin: Estructura de forma usualmente cilndrica, que remata generalmente


14/119

Universidad de los AndesDepartamento de Ingeniera Civil y AmbientalCentro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados CIACUA Comportamiento hidrulico en cmaras de inspeccin de 90 gradoscon flujo supercrtico: modelacin fsica.

Coeficiente de prdida menor: Medida de las prdidas de energa que se producen por el

paso del flujo en un accesorio o estructura, y que es factor de la altura piezomtrica de

velocidad.

Conducto: Estructura hidrulica destinada al transporte de agua.

Cota de batea: Nivel del punto ms bajo de la seccin transversal interna de una tubera o

colector.

Cota de clave: Nivel del punto ms alto de la seccin transversal externa de una tubera o

colector.

Dimetro interno real: Dimetro interno de una tubera determinado con elementos

apropiados. Dimetro nominal: Es una denominacin comercial con la cual se conoce comnmente el

dimetro de una tubera, a pesar de que algunas veces su valor no coincida con el dimetro

real interno.

Ducto: Canal de cualquier seccin transversal que puede transportar agua a superficie libre o a

presin. Estructura de disipacin: Estructura cuyo objetivo es disminuir la energa especfica del flujo

en un canal abierto.


15/119


16/119


Permetro mojado: Es la longitud de la lnea de interseccin de la superficie de la tubera

mojada y de un plano transversal del flujo perpendicular a la direccin del flujo.

Precisin: Es el grado de exactitud con respecto a una medida.

Profundidad de flujo: Es la distancia vertical desde el punto ms bajo de una seccin del canal

hasta la superficie libre.

Profundidad de flujo de la seccin: Es la profundidad de flujo perpendicular a la direccin de

ste, o la altura de la seccin del canal que contiene el agua.

Profundidad hidrulica: Relacin entre el rea mojada de un conducto que transporta algn

fluido y su permetro mojado.

Radio hidrulico: Relacin entre el rea mojada y el permetro mojado de una seccin

transversal de un ducto.

Relacin de llenado: Relacin existente entre la profundidad del flujo de la tubera y el

dimetro real interno de la misma.

Resalto hidrulico: Fenmeno hidrulico en el cual se presenta un cambio abrupto de rgimen

de flujo, se pasa de una corriente rpida y con profundidad baja (flujo supercrtico) a unacorriente lenta y profunda (flujo subcrtico).

Sistemas de Alcantarillado: Conjunto de elementos y estructuras cuya funcin es la


17/119


LISTA DE VARIABLES

= ngulo theta.

a = Constante de calibracin del vertedero.

A = rea mojada.

b = Exponente de calibracin del vertedero.

D = Profundidad hidrulica.

Dc = Dimetro de la cmara.

Do = Dimetro interno de la tubera.

F = No. de Froude.

F O = Fin de la onda.

g = Aceleracin gravitacional.

H = Altura de la lmina de agua sobre el vertedero.

H B = Altura del banco de la cauela.


18/119


1. INTRODUCCIN

La conduccin del agua ha sido un tema de importante inters para la sociedad a travs

del tiempo. Tanto es as, que el estudio de la misma ha llevado a desarrollar sistemas deacueductos y alcantarillados cuyo diseo ha cambiado a travs del tiempo a medida que laciencia proporciona ms informacin.

En la actualidad, y dado el gran crecimiento de la poblacin en las ciudades, estossistemas han adquirido aun ms importancia dada la necesidad de conducir de manerastanto eficientes como seguras las aguas residuales de diferentes orgenes: domstico,industrial, comercial, entre otros. Es importarte resaltar, que dependiendo del origen elagua residual, esta es portadora de diferentes materiales y compuestos que pueden llegara ser perjudiciales si no se hace un control adecuado.

Las cmaras de inspeccin, son estructuras hidrulicas que hacen parte de los sistemas dealcantarillado. Se ubican en las intersecciones y/o nodos del sistema y cumplen distintasfunciones: (1) airear el flujo con fines de oxidacin, (2) proporcionar un espacio con el finde realizar distintas actividades operativas y de mantenimiento, (3) punto de transicin delas caractersticas geomtricas de las tuberas de la red: direccin, pendiente, dimetro yd g (H g Gi i 2005)


19/119


higiene (Hager, 2005). Por esta razn, es necesario el estudio del comportamientohidrulico de cmaras de inspeccin con flujo supercrtico, con el fin de definirmetodologas de diseo que se ajusten a las caractersticas de los materiales actuales, adistintas condiciones topogrficas y a la alta demanda actual de los sistemas.

El presente estudio pretende estudiar experimentalmente el comportamiento hidrulicode cmaras de inspeccin con flujo supercrtico, con unin de flujo a 90 grados y cauelacompleta; con el fin de definir patrones de comportamiento que permitan encontrarecuaciones de diseo para este tipo de configuracin. La metodologa consisti en lamodelacin fsica de distintas condiciones de cada, caudal, patrones de flujo y pendiente;adems de la medicin y registro de las alturas de flujo y fenmenos de ondulacin y

resalto hidrulico.

1.1 OBJETIVOS

Objetivo General

Explicar el comportamiento hidrulico de las cmaras de inspeccin de cauela completa con flujosupercrtico a partir de la construccin, medicin y anlisis de un modelo fsico.


20/119


2. ANTECEDENTES

Los estudios acerca de cmaras de inspeccin y de flujo supercrtico a travs de ellas datan dehace ms de medio siglo y hasta la actualidad. A modo de lnea de tiempo, se presentan a

continuacin las principales investigaciones y sus conclusiones acerca del tema teniendo en cuentalos estados del arte revisados en las siguientes investigaciones: Modelacin fsica de cmaras deunin bajo flujo supercrtico (Trujillo,2013) ; Comportamiento hidrulico de cmaras deinspeccin bajo condiciones de flujo supercrtico (CIACUA,2011); adems de una revisinbibliogrfica propia.

Ao Investigador(es) Tema

1950 Bower Anlisis del flujo supercrtico en cmaras de inspeccin y delas condiciones para la formacin de resaltos hidrulicos entuberas aguas arriba.

1966 Behlke y Pritchett Condiciones de flujo para uniones de canales tantorectangulares como trapezoidales, para distintos ngulos.

1968 Greated Teniendo en cuenta la suposicin de que la unin en unacmara es solo una desviacin del flujo que genera una


21/119


1995 Hager y Schwalt Descripcin detallada de los patrones de flujo supercrticoen canales rectangulares con unin.

1996 Schwalt Planteamiento de un procedimiento de diseo y delnmero de choque (usado para determinar ciertos patronesde flujo).

1997 Reinauer y Hager Investigacin sobre las estructuras de conexin entrecanales de seccin transversal rectangular. Se comprobque el patrn de flujo de estos canales es similar al de uncanal con seccin transversal en forma de U. La diferenciaencontrada entre este dos consiste en que en los canalesrectangulares no se experiment fenmeno deahogamiento (caracterstico de cmaras de inspeccin).

1998 Vischer y Hager Resumen de investigaciones sobre el flujo supercrticos enestructuras de conexin.

1999 Hager Los principales resultados de sus investigaciones fueronsintetizados en su libro Wastewater Hydraulics, Theory andPractice.Una de las conclusiones ms importantes afirmaque los coeficientes de prdidas menores en cmaras soninsignificantes.

2000 Kruger y Rutschmann Explicacin de la distribucin de la presin (no hidrosttica)


22/119


concluy que existe una transicin de flujo supercrtico asubcrtico cuando la descarga es menor a la descargamnima. Cuando la descarga es mayor a la mxima sepresuriza el flujo.

2002 Gisonni y Hager Determinaron que para cmaras con uniones laterales a 90no se presentan comportamientos diferentes al cambiar eltipo de unin en la estructura de conexin. Adems sedemostr que a pesar que las cadas en cmaras evitan lasubmergencia, este tipo de estructuras no mejoran eldesempeo en flujo supercrtico dado que se generanondas y por ende propende la formacin de resaltoshidrulicos. Finalmente, concluyen que el entrapamientodel aire es un factor importante en el comportamiento delas cmaras de inspeccin, que disminuye la aplicabilidad deecuaciones convencionales de diseo.

Gargano y Hager En su estudio determinaron que en las cmaras de unin dealcantarillado se presentan fenmenos de presurizacin ysubmergencia dada la creacin de ondas superficiales en elflujo. Se recomienda usar una mxima relacin de llenadode 75%-85% en estas estructuras para evitar estosfenmenos.

2005 Hager y Gissoni Presentan un estado del arte sobre cmaras de inspeccin


23/119


2008 Zhao,Xhu y Rajaratman Se estudiaron las cmaras de inspeccin con uniones deflujo a 90 concluyendo que en ellas se presentan patronesde olas, mezcla, separacin, turbulencia y transicin ocoexistencia de flujo libre y a presin.

2010 Hager Segunda edicin de su libro Wastewater Hydraulics,Theory and Practice.

2011 Centro deinvestigaciones en

acueductos yalcantarillados -CIACUA

Comportamiento hidrulico en cmaras de inspeccin bajocondiciones de flujo supercrtico, evaluando distintos tiposde flujo en cmaras de unin a 90. En este estudio sedesarroll un modelo a escala real de una cmara con tresentradas (90-180-270) y una salida. Luego de las pruebasrealizadas la investigacin arroj ecuaciones yrecomendaciones de diseo para este tipo de cmarasteniendo en cuenta el anlisis estadstico de los datosrecolectados.

2013 Centro deinvestigaciones en

acueductos yalcantarillados -CIACUA

Modelacin fsica de cmaras de unin bajo flujosupercrtico. Esta investigacin uso cmaras de inspeccinde dos materiales diferentes (acrlico y polietileno) paradeterminar su comportamiento hidrulico bajo flujosupercrtico. Se realiza un anlisis de ondas completo de lafase experimental y se mencionan algunas


24/119


3. MARCO CONCEPTUAL

3.1 Generalidades

Segn el literal D.7.3 del Reglamento Tcnico del Sector de Agua Potable y SaneamientoBsico (RAS) ,las cmaras de inspeccin, conexin o unin son elementos integrales detodo sistema de recoleccin y evacuacin de aguas residuales y de aguas lluvias . Seubican en las intersecciones y/o nodos del sistema y cumplen distintas funciones:

Punto de transicin de una, varias o todas las propiedades geomtricas y topogrficas de

sus ductos de entrada. Entre estas propiedades se encuentran: cambio de direccin,

pendiente, dimetro y cambio de rugosidad (material).

Unin de distintos tramos.

Conexin con la superficie con fines de mantenimiento y limpieza.

Como puntos de inspeccin y monitoreo.

Gracias a nuevas tecnologas, se pueden usar como punto de renovacin de tuberas.

Las cmaras de inspeccin deben ser usadas solamente en los casos en los cuales la distancia


25/119


26/119


que puede ser dainas en el caso deque el flujo sea perturbado.

3.3 Propiedades geomtricas de tubera circular fluyendo parcialmente

llena

La Figura 1describe las principales propiedades geomtricas de una tubera de seccin transversalfluyendo parcialmente llena. Estas propiedades son fundamentales para describir elcomportamiento hidrulico de una tubera dado que el Nmero de Froude es calculado con baseen ellos.


27/119


A continuacin se listan las principales propiedades y las ecuaciones con las cuales puedenhallarse:

(1) Ecuacin 3.ngulo que describe la seccin transversal mojada.

(2)

Ecuacin 4.rea Mojada

(3) Ecuacin 5.Ancho Superficial


28/119


3.4 Flujo supercrtico en cmaras de unin de 90 (Gissoni y Hager,2002)

3.4.1 Descripcin del experimento

En general, las cmaras de unin se caracterizan porque durante su funcionamiento se originanondas de choque provocadas por distintas expansiones, contracciones, curvas o conexiones(Hager, 1999). Segn Hager y Gissoni (2002), estas ondas pueden generar la presurizacin de lascmaras en 3 lugares distintos: la tubera principal de entrada, la tubera lateral y la tubera desalida (puede ocasionarse en las tres, eventualmente). Por ende, las principales caractersticas que

deben medirse en una onda son su altura y su ubicacin (ATV, 2006).Con el fin de complementar sus estudios sobre cmaras de inspeccin con curvas de 45, Hager YGissoni (2002) disearon un experimento para evaluar cmaras de unin de 90. Este experimentocont con las siguientes caractersticas: dos tuberas de entrada (una principal y una lateral) dedimetro D= 0.24 m, un canal de conduccin en forma de U con paredes e 1.5D de altura y unatubera de salida tambin de dimetro 0.24 m. En la Figura 2, se puede apreciar la configuracin dela unin realizada en el experimento.


29/119


Se realizaron ms de 200 pruebas teniendo en cuenta como parmetros principales las relacionesde llenado y los nmeros de Froude en cada tubera de entrada.

Durante el experimento se diferenciaron 3 tipos de ondas: la onda B (de altura h By ubicada en lacurva de la entrada lateral), la onda J (de altura mxima h J y longitud xJ, ubicada en la pared

opuesta a la entrada lateral) y la onda S (de altura h S y causada por la presencia de la tubera desalida). En la Figura 2, se pueden apreciar los tipos de ondas y sus caractersticas.

3.4.2 Resultados

Para el anlisis de resultados se usaron las aproximaciones de Hager (1999) para el nmero deFroude, tal como se describi en el Numeral 3.2 del presente documento. Los resultados paracada tipo de onda son:

3.4.2.1 Onda A

Para la Onda tipo A (onda formada en flujo directo dominante en la tubera principal), la relacin

vara con F0. Se observa que para un rango de 0.5


30/119


y= relacin de llenadoF= nmero de Froude

donde los subndices L, indican el flujo LATERAL.

3.4.2.3 Onda J

La onda J fue evaluada para dos casos: primero, se evalu para flujo supercrtico lateral y luego seevalu flujo supercrtico en ambos conductos de entrada. Para ambos casos, la altura relativa de laonda YJ= hJ/h L- 1, presenta una relacin con el parmetro F L. Esta relacin es:

Ecuacin 10.Altura Relativa Onda J. Fuente: (Gissoni y Hager ,2002).

As mismo la localizacin XJ, normalizada con el dimetro de entrada como X J = xJ/D, presenta unarelacin con el mismo parmetro. As pues, se determin que:

Ecuacin 11.Localizacin en x de la Onda J. Fuente: (Gissoni y Hager, 2002).


31/119


Esta ecuacin solo aplica para los casos en los cuales 0.45


32/119


3.4.2.5 Capacidad de descarga de la cmara

Segn Hager y Gissoni, este parmetro es fundamental para el diseo de la cmara con el fin deevitar fenmenos de sobrecarga en el sistema. Para su estudio se evaluaron, una vez ms, los trescasos:

Flujo solo en el conducto principal o solo en el conducto lateral:

En este caso se determin un Nmero de Froude de descarga descrito como:

Ecuacin 15. Capacidad de descarga de la cmara para flujo solo directo o lateral. Fuente: (Gissoni y Hager,2002).

Teniendo en cuenta esta definicin, se determin el nmero de Froude de descarga

mximo para cada caso. En general, se encontr que:


33/119


Ecuacin 17. Nmero de Froude de descarga mximo de la cmara para unin de flujos. Fuente: (Gissoni yHager, 2002).

3.5 Comportamiento Hidrulico de Cmaras de Inspeccin Bajo

Condiciones de Flujo Supercrtico (CIACUA ,2011).

3.5.1 Descripcin del experimento

El Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados CIACUA, de la Universidad de losAndes, desarroll una investigacin encaminada a caracterizar el comportamiento hidrulico decmaras de inspeccin bajo condiciones de flujo supercrtico mediante la modelacin de una

estructura de unin a 90 grados a escala muy cercana a la real. El modelo us una media cauela,es decir, el canal de conduccin dentro del canal solo tena la altura de medio dimetro de tuberade entrada:


34/119


Unin de flujos: para esta condicin el flujo entra tanto por la tubera principal como por

la lateral a la cmara. Para dicha configuracin se realizaron 142 pruebas variando tanto

los caudales de cada una de las entradas como las cadas.

Las cadas probadas en cada uno de los experimentos fueron de 0%Do ,25%Do, 50%Do y 75%Do.

3.5.2 Resultados

El estudio clasifica de acuerdo con Hager (1994) los patrones de ondas formadas en cmaras deinspeccin con uniones de flujos de acuerdo a la localizacin y la direccin del(los) flujo(s) deentrada. Teniendo en cuenta los patrones de onda, el CIACUA determin ecuaciones querelacionan su altura mxima con diferentes variables como la relacin de llenado, el nmero deFroude y la cada en la entrada.

3.5.2.1 Patrones de ondas en flujo directo

En las cmaras de unin con flujo directo se presentan ondas TIPO A. Estas ondas son provocadaspor el choque del flujo contra las paredes curvas de los conductos laterales. En la Figura 3 se

d i i d d bi i


35/119


En los experimentos realizados se evidenci la formacin de una onda simultnea a la onda A,llamada Onda B. Sin embargo el anlisis de la misma no se desarrolla ya que nunca tuvo un efectosignificativo en el experimento, es decir, nunca lleg a tener una altura mxima mayor a la de laOnda A.

De acuerdo con el anlisis estadstico realizado con los datos recaudados en las mediciones delmodelo, se determin que la altura mxima de la Onda tipo A, representativa y dominante para elflujo directo y que se present solo para caudales mayores a 10 L/s, es:

Ecuacin 19.Regresin para altura mxima Onda tipo A, incluidas todas las variables. Fuente: (CIACUA,2011).

Ecuacin 20.Regresin para altura mxima Onda tipo A, sin incluir todas las variables. Fuente: (CIACUA, 2011).

en donde,


36/119


Ecuacin 24. Cada de la tubera de entrada principal. Fuente: (CIACUA, 2011).

Estadsticamente hablando, se puede concluir que la Ecuacin 19 explica en menor medida lavariabilidad de los datos encontrados en comparacin con la Ecuacin 20. Esto se debe a que parala primera se obtuvo un valor de R2 ajustado de 80.505% mientras que para la segunda este valorfue de 81.487%. Teniendo en cuenta este anlisis, se determin que la altura de cada de la tuberaes una variable estadsticamente no significativa al explicar la altura de la Onda tipo A.

3.5.2.2 Patrones de ondas en flujo lateral

En el flujo lateral se presentan ondas tipo C y D. Con respecto a las ondas tipo C, estas sonformadas por el choque del flujo lateral contra la pared opuesta (pared del conducto del flujodirecto). La onda D se forma en la pared curva interior del conducto lateral. Es importante resaltarque el desarrollo de la onda tipo D se da siempre despus de la formacin de la onda tipo C, nuncade forma individual. En la Figura 4se puede apreciar la ubicacin de estos tipos de onda.


37/119


crtica ya que esta condicin podra desencadenar una obstruccin del conducto de salida yposible sobrecarga de la cmara.

Por otro lado, para la condicin de flujo a 90 se present un fenmeno de recirculacin del flujo(movimiento en vrtice) cuando el nivel del mismo sobrepasaba la altura mxima de la cauela, es

decir, la mitad del dimetro de la tubera de entrada.Finalmente, de determin que la Onda C era hidrulicamente dominante dado que se presentabacon regularidad para caudales medios-altos y que generalmente tena alturas mximas mayores alos de la Onda D. De acuerdo con el anlisis estadstico realizado con los datos recaudados en lasmediciones del modelo, se determin que la altura mxima de la Onda tipo C, representativa ydominante para el flujo lateral, se puede determinar con las siguientes ecuaciones:

Ecuacin 25. Regresin para altura mxima Onda tipo C en flujo lateral, incluidas todas las variables. Fuente:(CIACUA,2011).

Ecuacin 26. Regresin para altura mxima Onda tipo C en flujo lateral, sin incluir todas las variables. Fuente:

(CIACUA, 2011).


38/119


Ecuacin 29. Nmero de Froude de la tubera de entrada lateral. Fuente: (CIACUA, 2011).

Ecuacin 30. Cada de la tubera de entrada lateral. Fuente: (CIACUA, 2011).

El anlisis estadstico arroj un R2 ajustado de 74.192% para la Ecuacin 25 y de 73.495% para la

Ecuacin 26. Es este caso, a diferencia del flujo directo y su correspondiente onda tipo A, la alturade la cada tiene una mayor repercusin en el valor de altura mxima de la onda C dado que laecuacin con todas las variables explica de mejor forma la variabilidad de este valor. Sin embargo,es posible asegurar que las dos ecuaciones convergen a valores muy parecidos dado que ladiferencia de sus R2 ajustados no es muy significativa.

3.5.2.3 Patrones de ondas en unin de flujos

La unin de flujos se caracteriza por presentar tres tipos de ondas: A, C y E(Figura 5).


39/119


La onda tipo A, como se mencion anteriormente, es caracterstica del flujo directo. Y se generapor el choque del flujo proveniente de la tubera principal con la pared interna del canal lateral dela cauela.

La onda tipo C, es caracterstica del flujo a 90 grados y es provocada por el choque del agua

proveniente de conducto lateral de la cauela con la pared del conducto principal (directo).Finalmente, la onda tipo E, es provocada por la unin de los flujos en la interseccin entre losconductos lateral y principal dentro de la cauela.

Respecto a la formacin de estos tres tipos de ondas en una cmara con media cauela sometidaa la condicin de unin de flujos se puede concluir que:

La Onda tipo A se forma cuando el conducto principal es hidrulicamente dominante, nohay presencia de cada y el caudal lateral es menor a 10% del caudal de la tubera

principal. Se determin que es una onda esttica por lo cual solo se analiza su mxima

altura, cuyo valor nunca super 1.08 HB.

Dado que esta altura mxima no es significativa respecto a la altura de los otros dos tipos

de onda, no se consider necesario hacer un anlisis del mismo.

La Onda tipo C se forma cuando el conducto lateral es hidrulicamente dominante. Se


40/119


Ecuacin 31. Regresin para altura mxima Onda tipo C en unin de flujos, incluidas todas las variables. Fuente:

(CIACUA, 2011).

Ecuacin 32. Regresin para altura mxima Onda tipo C en unin de flujos, sin incluir todas las variables. Fuente:(CIACUA, 2011).

en donde,

Ecuacin 33. Altura mxima Onda tipo C para unin de flujos. Fuente: (CIACUA, 2011).

Ecuacin 34. Relacin de llenado de la tubera de entrada principal para unin de flujos. Fuente: (CIACUA, 2011).


41/119


Ecuacin 37. Nmero de Froude de la tubera de entrada lateral para unin de flujos. Fuente: (CIACUA, 2011).

Ecuacin 38. Cada de la tubera de entrada principal para unin de flujos. Fuente: (CIACUA, 2011).

Ecuacin 39. Cada de la tubera de entrada lateral para unin de flujos. Fuente: (CIACUA, 2011).

Los valores de R2 ajustado son de 84.892% y 83.476% para la Ecuacin 31y Ecuacin 32,

respectivamente. Si bien la primera explica de mejor forma la variabilidad de los datos

encontrados (teniendo en cuenta la altura de cada de cada entrada), la diferencia entre

las dos no es significativa.


42/119


Ecuacin 40. Regresin para altura mxima Onda tipo E en unin de flujos, incluidas todas las variables. Fuente:

(CIACUA, 2011).

Ecuacin 41. Regresin para altura mxima Onda tipo E en unin de flujos, sin incluir todas las variables. Fuente:(CIACUA, 2011).

en donde,

Ecuacin 42. Altura mxima Onda tipo C para unin de flujos. Fuente: (CIACUA, 2011).

,

,


43/119


4. DISEO Y CONSTRUCCIN DEL MODELO FSICO

A continuacin, se hace una descripcin del diseo y proceso constructivo tanto del modelogeneral como de la cauela usada para la presente investigacin.

5.1. DESCRIPCIN DEL MODELO

El modelo diseado por el Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados-CIACUA en laUniversidad de los Andes, ha sido utilizado en variadas investigaciones sobre cmaras deinspeccin. Sus componentes principales son:

Cmara de unin: fabricada en acrlico, permite ver de manera clara los patrones yfenmenos que ocurren en la cmara durante su funcionamiento. Tiene un dimetrointerno de 0,84 metros y una altura de 0,71 metros. En la Figura 6 se puede observar eldetalle de la cmara de inspeccin usada en el montaje.


44/119


Fotografa 1. Cmara de inspeccin utilizada.

Estructuras de conexin: corresponden a lminas de acrlico especialmente moldeadaspara empalmar con la estructura curva de la cmara (Fotografa 2). La configuracin de

estas lminas permite conectar las tuberas de entrada a diferentes alturas de cada: 0Do,0.25Do, 0.5Do Y 0.75Do (siendo Do el dimetro de la tubera de entrada).


45/119


Tanques de alimentacin: se utilizan dos tanques metlicos de alimentacin para lastuberas de entrada. Las estructuras de rebose de estos tanques permiten controlar elcaudal de entrada de cada tubera adems de la altura inicial de los tubos de entrada. Seconectan a los tubos de manera hermtica gracias a empalmes de neumtico y siliconafra.

Tanque para desage: este tanque posee una estructura de disipacin de energa en lacual desemboca la tubera de salida de la cmara.

Tuberas de entrada: las tuberas de entrada tienen un dimetro de 0.223 m. La longitudde la tubera de entrada a flujo directo y de la tubera con flujo a 90 es de 0.94 m y1.28 m, respectivamente (longitudes establecidas de acuerdo al espacio disponible enlaboratorio). Adicionalmente, la tubera de entrada principal se compone de dos tuberas:como primera medida un tubo Novafort y luego una tubera de acrlico.

Tubera de salida: la tubera de salida tiene un dimetro de 0.26 m y una longitud de82 cm.

En la Figura 7se puede apreciar el montaje con todas las partes anteriormente mencionadas.


46/119


As mismo, en la Fotografa 3 se puede observar el montaje ya construido en el laboratorio.

Fotografa 3. Modelo construido en el laboratorio de Hidrulica de la Universidad de los Andes.

Canal de conduccin (Cauela): la cauela est fabricada en fibra de vidrio. Tiene undimetro externo de 81,7 cm y una altura de 34 cm .Permite el flujo del agua para una


47/119


En la Figura 8 se pueden observar todas dimensiones usadas para la construccin del canal deconduccin.


48/119


Figura 9.Modelo tridimensional para el diseo del canal de conduccin.


49/119


Primer molde-Negativo del canal

En primer lugar, se realiz un molde en espuma de poliuretano del negativo de las tuberas. Comose puede apreciar en la Fotografa 4, se hizo un corte grueso a la espuma para despus ser lijadode tal forma que cumpliera aproximadamente con las dimensiones requeridas (Fotografa 5).

Fotografa 4. Molde de espuma. Fotografa 5. Proceso de lijado del primer molde.

Pulimiento del molde

El primer molde fue recubierto con masilla polister de contextura gruesa (color blanco en laFotografa 6 ) con el fin de corregir errores relativamente grandes en las medidas. Luego de esto,


50/119


Segundo molde Estructura de la cauela

Despus de haber rectificado que las caractersticas geomtricas del canal se cumplan y de lijar elprototipo para ofrecer una textura lisa, se procedi a armar la estructura de la cauela. Para estefin, se elaboraron anillos metlicos con dimetro un interno igual al dimetro externo de lacauela (Fotografa 8). Luego se ajust una lmina de poliestireno a los anillos de forma que elprototipo del canal fabricado se ajustara dentro de ellos (Fotografa 9). Finalmente, para laconstruccin del molde se utiliz una tabla de madera lisa que sirviera como base del molde (tapade la cauela).


51/119


Fotografa 10. Lubricacin del molde terminado. Fotografa 11. Fundicin de la fibra de vidrio.


52/119


Fotografa 14. Cauela terminada (A)


53/119


5.3. INSTRUMENTACIN DEL MODELO

5.3.1. Estructura de medicin de nivelesAl interior de la cmara de inspeccin fue adaptado un riel de medicin cuya funcin es permitir la

medicin de los niveles a travs de los ductos de la cauela en diferentes puntos de la misma. Enla Figura 10se puede apreciar en detalle este sistema de medicin.

Figura 10. Detalle de la estructura de medicin de niveles en la cmara.

As mismo, para la medicin de nivel en las tuberas se realizaron perforaciones a travs de toda su


54/119


5.3.2. Instrumentos de medicin

Teniendo en cuenta que el objetivo de este estudio es la determinacin de comportamientos ypatrones hidrulicos que permitan describir el funcionamiento de una cmara con cauelacompleta, es necesario usar instrumentos de medicin aptos, que tengan una alta precisin y quese ajusten a los requerimientos del experimento. Por ende, se usaron sensores de medicin decaudal y de nivel, cuyas caractersticas se describen a continuacin.

5.3.2.1. Instrumentos para medicin de caudal

Para las mediciones de caudal se dispone de dos sensores. Uno de ellos, correspondiente a la

tubera principal, es un sensor electromagntico de alta precisin (Fotografa 17 y Fotografa 18) ubicado en la red elevada del laboratorio de hidrulica. El caudalmetro usado para la tuberalateral posee las mismas caractersticas. A continuacin se muestran las principales caractersticasde los sensores:

Tabla 2.Tabla tcnica de sensores de caudal.

Tubera principal y lateralReferencia Waster Master

Tipo Electromagntico de alta precisin.Temperatura [-20C , 60C]Frecuencia 50Hz-60Hz


55/119


5.3.2.2. Instrumentos para medicin de nivel

Se utilizaron sensores ultrasnicos U-GAGE T30(Fotografa 19), propiedad del Laboratorio de

Hidrulica de la Universidad de los Andes. Sus caractersticas son:

Tabla 3. Tabla tcnica de sensores de nivel.

Rango 150mm-1000mmFrecuencia 228kHz

Tiempo de Respuesta 48 MilisegundosResolucin 0.25% de la distancia medida

Temperatura [-20C , 70C]Zona Muerta 20 Centmetros


56/119


6. PROCEDIMIENTO DE MEDICIN

El procedimiento de medicin realizado en el laboratorio se puede explicar por medio delsiguiente diagrama de flujo:

-El proceso de medicin comienzadefiniendo un escenario demodelacin. Este escenario estdefinido principalmente por lascadas de cada una de las entradasya que de acuerdo con estas seobtendrn diferentes pendientes.

-Luego de esto, se define un caudalespecfico a medir. La definicin delos caudales se har teniendo encuenta que se debe abarcar todo elrango de flujo supercrtico.

-Despus, se realiza la medicin delos niveles de lmina de agua. Dadoque se poseen 3 sensores de nivel,las mediciones de las tuberas de


57/119


Teniendo en cuenta que cada cambio de configuracin (cambio en las estructuras de conexinpara establecer diferentes alturas de cada) implica un desmonte completo de las uniones de latubera y la cmara, y por tanto un proceso de adhesin y secado; se plante un cronograma deconfiguraciones que optimiza el nmero de cambios en la estructura de las conexiones. Seestableci un nmero de 16 cambios para medir todas las configuraciones posibles. En la Tabla 4se puede observar cada configuracin y su orden respectivo.

Tabla 4.Optimizacon del orden de medicin de las configuraciones.

directo lateral1 A 0.00 0.002 B 0.00 0.253 C 0.00 0.504 D 0.00 0.755 E 0.25 0.756 F 0.50 0.75

7 G 0.75 0.758 H 0.75 0.509 I 0.75 0.25

# Cambios ConfiguracinCadas(%Do)


58/119


Tabla 5. Orden de medicin de las distintas configuraciones en el montaje.

PendienteNmero deCaudales

Orden-Config.

0.0245 5 1-ADada por la cada 5 10-E

Dada por la cada 5 12-FDada por la cada 5 14-G

0.1721 5 2-ADada por la cada 5 4-BDada por la cada 5 6-C

0.0398 5 8-DDIRECTO LATERAL0,00Do 0,00Do Dada por la cada 8 3-A0,00Do 0.25Do Dada por la cada 8 5-B0,00Do 0.50Do Dada por la cada 8 7-C0,00Do 0.75Do Dada por la cada 8 9-D0.25Do 0,00Do Dada por la cada 8 20-L0.25Do 0.25Do Dada por la cada 8 21-M0.25Do 0.50Do Dada por la cada 8 22-N0.25Do 0.75Do Dada por la cada 8 11-E0.50Do 0,00Do Dada por la cada 8 19-K0.50Do 0.25Do Dada por la cada 8 24-P0 50Do 0 50Do Dada por la cada 8 23-O

UNIN DE

FLUJOS

0,00Do0.25Do0.50Do0.75Do

FLUJO

DIRECTO

FLUJOLATERAL

Cada

0,00Do0.25Do

0.50Do0.75Do


59/119


7. ANLISIS DE RESULTADOS

Durante la presente investigacin se realizaron pruebas sobre 5 condiciones posibles en 2 de lasconfiguraciones que permite realizar el montaje. As entonces, se recopilaron datos de:

Flujo directo para una cada de cero veces el dimetro de entrada.

Flujo lateral para una cada de cero veces el dimetro de entrada.

Unin de flujos para una altura de cero veces el dimetro de cada entrada.

Flujo lateral para una cada de 0.75 veces el dimetro de entrada.

Unin de flujos para una altura de cero veces el dimetro en la entrada principal y de 0.75

veces el dimetro en la entrada lateral.

Para cada una de estas condiciones se realizaron diversos caudales. Las caractersticas geomtricase hidrulicas, as como los perfiles de los niveles de agua en las tuberas y en la cmara, seencuentran en los anexos del presente documento (Tabla 38 a Tabla 69 y Figura 12a Figura 59).

Teniendo en cuenta los datos recopilados, adems de las grficas y tablas usadas para sutratamiento, se har un anlisis de los resultados encontrados. El anlisis ser de carctercualitativo dado que la cantidad de datos recopilados no son representativos para realizar un


60/119


Sin embargo, se evidenci que la longitud de la onda se extendi hacia la tubera de salida paracaudales mayores a 50.53 L/s, llegando a tomar alturas de hasta 22.06 cm (70% de la alturamxima de la cauela 86% del dimetro de dicha tubera).

En la Fotografa 20 y la Fotografa 21 se puede evidenciar como se forma la onda en principio paracaudales medios y como se extiende hacia la tubera de salida a medida que los caudalesaumentan. En estas se puede apreciar como la altura mxima de estn ondas se aproxima a launin del canal lateral de la tubera a 90 con la entrada de la tubera de salida.


61/119


Fotografa 21. Extensin de la Onda tipo A hacia la tubera de salida.


62/119


normal de la tubera de salida pas cerca al dimetro total de esta ltima, evidenciando as unriesgo de obstruccin y posible sobrecarga.

Fotografa 22. Formacin de onda tipo C en flujo lateral (Vista hacia adentro).


63/119


En la Fotografa 22 y la Fotografa 23 se puede evidenciar la formacin de este tipo de onda paracaudales medio-altos con relaciones de llenado de 18% y Nmero de Froude de 1.86 en la tuberiade salida y de 16% y 3.63 para la tubera lateral,respectivamente. As mismo, en la Fotografa 24se puede evidenciar que la tubera de salida corre el riesgo de sobrecargarse en su entrada cuandoel caudal lateral es alto; adems, en la Fotografa 25 se ve como una masa de agua se represa en la

tubera principal dado que por ella no esta fluyendo ningn caudal. Asi pues, a pesar de que larelacion de llenado de la tubera de salida es de 44.78%, en su entrada la altura de onda contra lapared es de 100% el dimetro de la misma.


64/119


Este efecto podra analizarse desde diferentes puntos de vista: para pendientes bajas la masa deagua se extendera aguas arriba de la tubera principal tanto como la topografa del sistema lopermitiese hasta llegar un punto de sobrecarga de dicha tubera (este proceso sera mas lento).Para sistemas con tuberas principales de pendiente alta, la tubera se sobrecargara rpidamentedada la diferencia entre su pendiente y la lmina de agua de la cmara.

No hay una diferencia significativa en los resultados para las pruebas de flujo lateral para cada de75% del dimetro de entrada con respecto a la condicin sin cada. Para esta cada mxima seobtuvo un 1% de aumento en el nivel mximo de la onda con respecto a la cauela para un caudalmximo 1.7 litros por segundo mayor al probrado en la prueba sin cada (Figura 43).

Finalmente, se considera que la onda D es irrelevante en el estudio dado que present alturasmximas mucho menores a las reportadas para la onda tipo C en todo el rango de caudales

estudiados.

7.1.3. Unin de flujos

Para la unin de flujos se combinaron caudales entre 10 L/s - 40 L/s para la tubera principal concaudales entre 6.5 L/s - 18.5 L/s para la tubera lateral (configuracin sin cada); y con caudales

entre 10.75 L/s - 55 L/s para la tubera directa con caudales entre 5 L/s hasta 17 L/s para latubera lateral (configuracin con 75% Do de cada en la tubera lateral).

Se evalu la presencia de ondas tipo A ( causadas por el choque del flujo directo con la pared del


65/119


Fotografa 26. Tipos de ondas caractersticos de unin de flujos.

As pues, la capacidad de la cmara en cuanto a unin de flujos no depende de los niveles de lasondas dentro de la cmara sino de la posible sobrecarga de las tuberas de menor pendiente dadala formacin de resaltos hidrulicos que se transladan aguas arriba de estas (Fotografa 27).


66/119


Para el presente estudio, no se permiti la sobrecarga de las tuberas. Por este motivo todos losresaltos formados se ubicaron en puntos adyacentes a las entradas de las tuberas en la cmara.En la Figura 11, se puede apreciar la formacin de resaltos hidrulicos para combinaciones deQ Directo=20.8 L/s con Q Lateral =15.4 L/s (color naranja) y Q Directo=10.75 L/s con Q Lateral=10.24 L/s(prpura claro). Segn esto, se comienzan a formar resaltos hidrulicos cuando el caudal principal

(dominante) es apenas un 25% mayor o cuando la multiplicacin de caudal y velocidad para latubera principal es el 57% con respecto a la de la tubera lateral.

Figura 11. Anlisis de curva de remanso para unin de flujos.


67/119


Adems, en la Fotografa 28 se puede evidenciar el principal problema de la formacin de resaltoshidrulicos en el sistema, que consiste en la obstruccin de la tubera de salida y posiblesobrecarga de la cmara de inspeccin, fenmeno que resulta en la presurizacin de las tuberas yen la expulsin, en muchas ocasiones, de las aguas que se estancan en la cmara hacia las calles.

Finalmente, se puede observar en las tablas anexadas para unin de flujos (Tabla 49 a Tabla 56 yTabla 62 a Tabla 69) que para muchas de las pruebas se tiene flujo transicional en la tubera desalida. Este flujo se caracteriza por ser inestable dado que se encuentra en un rango de nmero deFroude de 0.7 a 1.5. Sin embargo, no es posible determinar el comportamiento completo de dichatubera dado que su longitud, determinada por el espacio constructivo disponible, no es suficientepara que se desarrolle todo el perfil.


68/119


8. CONCLUSIONES

Teniendo en cuenta las mediciones y observaciones realizadas en este estudio, es posible

concluir que las cmaras de inspeccin con flujo supercrtico se caracterizan por la

formacin de diferentes tipos de ondas superficiales que dependen de la direccin del

flujo y del canal de conduccin utilizado. El caso ms crtico de estas ondas es la tipo E, por

medio de la cual se forman resaltos hidrulicos que pueden traer problemas de

presurizacin y sobrecarga de tuberas y de la cmara.

El uso de cauela completa, cuya altura es igual al dimetro mayor de las tuberas delsistema, evita en la mayora de los casos el choque de las ondas formadas con las paredes

de la cmara de inspeccin, y por lo tanto la formacin de ondas mayores. Sin embargo, la

utilizacin de cauela completa puede tener fallas de funcionamiento para grandes

caudales si no es diseada adecuadamente dado que sus paredes altas hacen que las

ondas que chocan contra ellas tomen una direccin vertical. Estas ondas que se van hacia

arriba pueden chocar contra las paredes de la cmara ubicadas en la parte superior de las

salidas y provocar posibles obstrucciones. El correcto diseo de la cmara evitar que se


69/119


con cauelas a media altura, no existen zonas de recirculacin y/o vrtices

representativos. Este hecho aumenta la capacidad hidrulica de la estructura dado que se

evita la acumulacin de agua dentro de la cmara.

A pesar de que la presente investigacin se centr en el diseo y fabricacin de la cauelacompleta, en la construccin del montaje en el laboratorio y en la realizacin de algunas

pruebas previas para el anlisis cualitativo, es necesario realizar la medicin de la totalidad

de condiciones con el fin de realizar un anlisis estadstico que permita dar

recomendaciones de diseo en cmaras de inspeccin de cauela completa con flujo

supercrtico.


70/119


9. RECOMENDACIONES

Se puede decir que el montaje realizado es representativo en contraste con la realidad,

dado que es construido a una escala muy cercana a la real. Sin embargo, se recomienda

extender la longitud de las tuberas lateral y de salida para prximos estudios, con el fin de

permitir completamente el desarrollo de los perfiles y/o fenmenos tales como formacin

de resaltos en dichas tuberas. Este cambio acercara radicalmente el modelo a la realidad.

Se recomienda realizar un estudio comparativo entre los resultados de investigaciones

encaminadas a determinar el desempeo hidrulico de cmaras de inspeccin con mediacauela o cauela completa. Este, podra permitir diferenciar rangos de caudales o

condiciones para los cuales puede o debe usarse cada tipo de canal de conduccin,

optimizando el sistema hidrulica y econmicamente.

Se recomienda realizar pruebas en cada una de las configuraciones posibles de la cmara ,

teniendo en cuenta las alturas de cada en cada entrada, las pendientes de cada tubera, y

en general, cada una de las variables que pueda ser estudiada. As mismo, teniendo en


71/119


10. BIBLIOGRAFA

Del Giudice, G., Gisonni, C., and Hager, W. H. 2000. Supercritical flow in bend manhole. Journalof Irrigation and Drainage Engineering , 1, 48 56.

Del Giudice, G., and Hager, W.H. 2001. Supercritical flow in 45 junction manhole. J. Irrig.Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 127, 100 108.

Gisonni, C., and Hager, W. H. 2002. Supercritical flow in manholes with a bend extension.Experiments in Fluids , 32, 357 365.

Gisonni, C., and Hager, W.H. 2002. Supercritical flow in the 90 junction. Urban Water, 4, 363 372.

Gargano, R., and Hager, W. H. 2002. Supercritical flow across sewer manholes. Journal ofHydraulic engineering , 128, 1014 1017.

Trujillo M.,(2013).Modelacin fsica de cmaras de unin

COMPORTAMIENTO HIDR_ULICO EN C_MARAS DE INSPECCI_N DE 90 GRADOS CON FLUJO.pdf

Documents

Transcript of COMPORTAMIENTO HIDR_ULICO EN C_MARAS DE INSPECCI_N DE 90 GRADOS CON FLUJO.pdf