Guias de Laboratorio Hidráulica de Canales

7/24/2019 Guias de Laboratorio Hidrulica de Canales

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UNIVERSIDAD PEDAGGICA Y TECNOLGICA DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERA

ESCUELA DE INGENIERA CIVIL

HIDRULICA DE CANALES

Ing. Jos Julin Villate Corredor. Laboratorio N2 Resalto Hidrulico.

Mon. Ana Cristina Moreno Becerra

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GUASDE

LABORATO

RIOH

IDRULICA

DE

CANALES|Tunja2013

GUAS DE LABORATORIO


C

UNIVERSIDAD PEDAGGICA Y TECNOLGICA DE

COLOMBIA



Tunja_ 2013

Elaborado por:

ING JOS JULIN VILLATE CORREDOR

MONITOR: ANA CRISTINA MORENO BECERRA


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Ing. Jos Julin Villate Corredor. Laboratorio N1 Energa Especfica Fuerza Especfica.

Monitor. Ana Cristina Moreno Becerra

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GUASDE

LABORATO

RIOH

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CANALES|Tu

nja2013

LABORATORIO N 1 ENERGA ESPECFICA FUERZA ESPECFICA

1.1. OBJETIVOS.

Clasificar el flujo de acuerdo al comportamiento del sistema y sus profundidadesregistradas.

Establecer la profundidad critica para una energa especfica mnima. Determinar las grficas de energa especfica y fuerza especfica. Establecer la fuerza especifica mnima para un determinado caudal. Determinar el tipo de flujo por medio del clculo del nmero de Froude Calcular la velocidad del flujo a lo largo del canal.

1.2. EQUIPOS A UTILIZAR. Canal Rectangular Vertedero de pared gruesa. Limnmetro. Cronometro. Balde. Metro.

1.3. PROCEDIMIENTO.

o Disponga el canal de pendiente variable en posicin horizontal.o Adaptar el vertedero de pared gruesa y la cuadricula de mediciones en la

ranuradestinada para sta, la cual se encuentra en la parte media del canal.o Graduar por medio de las vlvulas el caudal descargado procurando empezar de

un valorbajo de ste e ir ascendiendo a medida que avanza la prueba.o Para un mismo caudal, tmese diferentes lecturas de Limnmetro; para esto vare

la pendiente del canal hasta un valor alto y conserve el caudal inicial.o Tomar el valor del caudal en un determinado instante de tiempo, para conocer

ladescarga.o Repetir la prueba para diferentes niveles de lmina de agua, variando porlo menos

3 veces la pendiente del canal.

1.4. FUNDAMENTACIN TERICA.

La Ener ga Especfic a en una seccin de canal es definida como la energa por unidadde peso de agua en cualquier seccin del canal, medida con respecto al fondo de ste.


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El concepto de energa especfica se deriva de la ecuacin de Bernoulli; cuando la

distribucin de presiones en la seccin es hidrosttica, la carga piezomtrica

es

constante y la carga de presin , siendo Y el tirante del flujo en el canal.De esta forma la carga hidrulica total en la seccin referida al fondo del canal (tomandoz=0 en el fondo del canal) es lo que se define como energa especfica

Para canales de pendiente suave la energa especfica resulta:

Despreciando los efectos de no-uniformidad (coeficiente de Coriolis = 1) entonces:

La expresin de la energa especfica en funcin del caudal (Q) es Para este caso se tiene un canal rectangular (A=b*Y), pendiente suave y con distribucin

uniforme de velocidad, la ecuacin quedara:

Si la energa especfica es mnima para un gasto determinado, la profundidad es laprofundidad-crtica, o este ltimo es el tirante que existe cuando la descarga es mximapara una energa especfica determinada.

Siendo Al graficar el tirante contra la energa especfica resulta una curva con dosasntotas y unpunto mnimo. En elpunto mnimo sucede para un nivel de energa dado existe un nico

tirante Y llamado Tirante Crtico.Larama superior, con asntota que se aproxima a la rectaa 45 grados, posee tirantes mayores al crtico y es llamada Subcrtica; y la rama inferiorcon asntota horizontal que se aproxima al eje de la energaespecfica y con tirantesmenores al tirante critico es llamada Supercrtica. (Ver Figura N 1).


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Figura 1Curvas de energa especfica para diferentes tirantes y un canal de caractersticas

Al aplicar el principio de momentum a un tramo horizontal corto del canal, e ignorandofuerzas externas de friccin y peso del agua, se puede expresar la ecuacin demomentum como:

Como los dos lados de la ecuacin son anlogos, se pueden expresar para cualquierseccin del canal como:

DondeZ es la distancia entre la superficie libre y el centroide.El primer trmino de la funcin anterior corresponde al momentum del flujo que pasa atravs de la seccin del canal por unidad de tiempo y por unidad de peso del agua; elsegundo trmino es la fuerza por unidad de peso del agua, como ambos trminos son

fuerza por unidad de peso del agua, su suma se denomina Fuerza Especfi ca. Al graficarprofundidad contra fuerza especfica se obtiene una curva con dos ramas AC y BC, larama AC que se aproxima asintticamente al eje horizontal hacia la derecha y la rama BCaumenta hacia arriba y se extiende indefinidamente hacia la derecha, en el punto C de lacurva las dos profundidades se convierten en una y la fuerza especfica es mnima (VerFigura 2)


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Figura 2 Curva Fuerza Especfica complementada con la curva de energa especfica. a) Curva Energa

Especfica; b) Seccin del canal; c) Curva Fuerza Especfica

NOTA: El tirante se calcula por medio de la diferencia de alturas entre la lmina de agua

(limnimtrica) y la lectura del fondo del canal. El caudal se calcula como Volumen (m)

dividido en el tiempo promedio (segundos). El caudal unitario (q) es el cociente entre el

caudal que se transporta y el valor de la base del canal.

1.5. CUESTIONARIO.

Calcular el caudal unitario, la energa especfica, nmero de Froude y la FuerzaEspecfica.

Graficar los valores de Profundidad de flujo Y vs Energa Especfica. Graficar los valores de Profundidad de flujo Y vs Fuerza Especfica. Reconocer en las grficas las zonas de Flujo Subcrtico, Crtico y Supercrtico segn

los resultados obtenidos. Realizar una comparacin de los resultados obtenidos de Energa Especfica,

Fuerza Especifica y nmero de Froude con los valores estndar y comentar posiblesvariaciones.

Realizar una clasificacin del rgimen de flujo encontrado en la prctica delaboratorio.

Realizar la grfica de anlisis de la variacin del caudal con respecto a laprofundidad (Y vs q). Trazar el perfil de flujo. Describir como sera el comportamiento y los resultados obtenidos si el canal no

fuera rectangular sino trapezoidal.


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1.6. FORMATO DE TOMA DE DATOS.

Firma del laboratorista: _______________________________ Fecha: ___/___/_____

NOMBRES CDIGOS FIRMAS_____________________________ ______________ ___________________________________________ ______________ ___________________________________________ ______________ ______________

Volumen: 111 Litros Ancho del Canal:28.2 cm

1 2 3 4 5 6 7 8 9 T1 T2 T3

0

1

2

3

Distancia X(cm)

L. fondo (cm)

CAUDAL 1 (Altura Lmina de Agua 3 cm)

Pendiente LECTURA LIMIMTRICA (cm) TIEMPO (segundos)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 T1 T2 T30

1

2

3

Distancia X(cm)

L. fondo (cm)


Pendiente

LECTURA LIMIMTRICA (cm) TIEMPO (segundos)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 T1 T2 T3

0

1

2

3

Distancia X(cm)

L. fondo (cm)


PendienteLECTURA LIMIMTRICA (cm) TIEMPO (segundos)


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CANALES|Tu

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1.7. FORMATO DE CLCULOS.

1 2 3 4 5 6 7 8 9

0

1

2

3

Distancia

L. fondo (cm)

PendienteTIRANTE (m)

Tprom(sg) Q (m/s) q (m/s)

1 2 3 4 5 6 7 8 9

0

1

2

3

Pendiente ENERGA ESPECFICA (m)

1 2 3 4 5 6 7 8 9

0

1

2

3

PendienteNUMERO DE FROUDE

1 2 3 4 5 6 7 8 9

0

1

2

3

PendienteFUERZA ESPECFICA (m)


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Ing. Jos Julin Villate Corredor. Laboratorio N 2 Flujo Uniforme.


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LABORATORIO N 2 FLUJO UNIFORME.

2.1. OBJETIVOS.

Determinar experimentalmente el coeficiente de Manning y Chezy,correspondientes a la rugosidad para el canal de pendiente variable del laboratorio.

Comparar los valores tericos con los valores experimentales obtenidosdel canaldel laboratorio.

Caracterizar el comportamiento del flujo presentado en la prctica, por medio delclculo de velocidad, pendiente, caudal, etc.

Establecer los factores de los que depende el clculo de la rugosidad del canal ysu influencia en la prctica.

2.2. EQUIPOS A UTILIZAR.

Canal Rectangular Limnmetro. Cronometro. Balde. Metro.

2.3. PROCEDIMIENTO.

o Disponga el canal de pendiente variable en posicin horizontal.o Alimentar el canal con un caudal determinado por medio de la vlvula.o Medir las dimensiones del canal.o Registrar el tiempo de descarga del caudal.o Para esta misma pendiente, tmese diferentes lecturas de lmina de agua,

variando el caudal que alimenta el canal por medio de la vlvula.o Repetir la prueba para diferentes niveles de lmina de agua (caudales), variando

por lo menos 3 veces la pendiente del canal.

2.4. FUNDAMENTACIN TERICA.

Para el diseo y dimensionamiento de las estructuras hidrulicas a superficie libre se hanutilizado por muchos aos ecuaciones de flujo uniforme, el cual tiene las siguientescaractersticas: la profundidad, el rea mojada, la velocidad y el caudal en cada seccindel canal son constantes; la lnea de energa, la superficie de agua y el fondo del canalson paralelos, es decir sus pendientes son iguales (ver Figura 3). Se considera que el


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Ing. Jos Julin Villate Corredor. Laboratorio N2 Flujo Uniforme.


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flujo uniforme es solo permanente debido a que el flujo no permanente prcticamente noexiste, inclusive el flujo uniforme permanente es raro encontrarlo debido a que en ros y

corrientes en estado natural casi nunca se experimenta una condicin estricta de flujouniforme.

Figura 3 Flujo Uniforme.

El flujo uniforme no puede ocurrir a velocidades altas, esto se debe a que cuando el flujouniforme alcanza cierta velocidad alta, se vuelve inestable, a velocidades msaltas el flujoeventualmente atrapara aire y se volver inestable. Las ecuaciones que comnmente sonusadas involucran coeficientes como el de Manning (n) y el de Chzy (C); para el clculo

de estos coeficientes es necesario determinar velocidad, pendiente, altura de lmina deagua, entre otros.

La primera ecuacin desarrollada en el ao de 1769 por el Ingeniero Francs AntoineChzy se expres as:

Donde Ves la velocidad en pies/s, RHes el radio hidrulico en pies, Ses la pendiente y Ces un factor de resistencia al flujo conocido como C de Chzy.

La ecuacin de Manning fue desarrollada en 1889 por el Ingeniero Irlands RobertManning que se expresa as:


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Donde V es la velocidad media en pies/s, RH es el radio hidrulico en pies, S es lapendiente y n es el coeficiente de rugosidad conocido como n de Manning.

La ecuacin de manning en sistema internacional se expresa como:

Al comparar la ecuacin de Chzy con la Ecuacin de Manning, puede verse que:

(Ecuacin en sistema Ingles)La determinacin de un valor de n significa estimar la resistencia al flujo en un canal

determinado, para lo cual es necesario establecer cuatro enfoques necesarios eindispensables, los cuales son: a) Determinar los factores que afectan el valor del n conel fin de disminuir el nivel de incertidumbre en el clculo de este; b) Determinar valoresestndar para canales de diferente rugosidad; c) Familiarizar la apariencia de algunoscanales con rugosidad conocida; y d) Determinar experimentalmente el valor de n juntocon velocidades y dems factores para el canal existente en la facultad de Ingeniera dela Universidad Pedaggica y Tecnolgica de Colombia, los cuales se encuentran comoobjetivos dentro de la prctica a desarrollar.

Para cada pendiente utilizada en la prctica de laboratorio, se calcula un n de manning,

por lo cual se requiere hallar un n compuesto que correspondera a la media aritmticacalculado a partir de la siguiente formula:

NOTA:El tirante se calcula por medio de la diferencia de alturas entre la lmina de agua

(limnimtrica) y la lectura del fondo del canal. El caudal se calcula como Volumen (m)

dividido en el tiempo promedio (segundos). El caudal unitario (q) es el cociente entre el

caudal que se transporta y el valor de la base del canal.


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2.5. CUESTIONARIO.

Calcular la rugosidad equivalente para el canal de laboratorio y el correspondientecoeficiente de rozamiento de Chzy.

Realizar una consulta de los factores que afectan en el clculo y determinacin delfactor de rugosidad.

Relacionar la consulta anterior con lo visto en la prctica y establecer que factoresafectaron en el clculo de dicho factor.

Realizar una comparacin de los valores tericos y los valores experimentales de

rugosidad obtenidos en la prctica de laboratorio.

Establecer el rgimen de flujo encontrado en la prctica.

Determinar los perfiles de flujo por medio de la grfica de lecturas limnimtricas vsdistancias horizontales.


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2.6. FORMATO DE TOMA DE DATOS

Firma del laboratorista: _______________________________ Fecha: ___/___/_____NOMBRES CDIGOS FIRMAS

_____________________________ ______________ ___________________________________________ ______________ ___________________________________________ ______________ ______________

Volumen: 111 Litros Ancho del Canal: 28.2 cm

1 2 3 4 5 6 T1 T2 T3123

Distancia X(cm)L. fondo (cm)

PENDIENTE 1

CAUDALLECTURA LIMNIM TRICA (cm) TIEMPO (segundos)

1 2 3 4 5 6 T1 T2 T312

3Distancia X(cm)L. fondo (cm)

PENDIENTE 2

CAUDALLECTURA LIMNIM TRICA (cm) TIEMPO (segundos)

1 2 3 4 5 6 T1 T2 T3123

Distancia X(cm)

L. fondo (cm)

PENDIENTE 3

CAUDALLECTURA LIMNIMTRICA (cm) TIEMPO (segundos)


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CANALES|Tunja2013


1 2 3 4 5 6

1

2

3

4

Distancia X(cm)

L. fondo (cm)

CAUDALTIRANTE (m)

Tprom (sg)Q

(m/s)

q

(m/s)

PENDIENTE

Y(prom) rea (m) Permetro (m) RH R/ CAUDAL (m/s) Velocidad (m/s) n (manning) c (Chezy)1

2

3

CAUDALPENDIENTE

1

2

3

CAUDAL n (manning) C (Chzy) Yn Yc


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Ing. Jos Julin Villate Corredor. Laboratorio N 3 Flujo Gradualmente Variado


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LABORATORIO N 3 FLUJO GRADUALMENTE VARIADO.

3.1. OBJETIVOS.

Analizar el comportamiento del flujo gradualmente variado en un canal abierto. Reconocimiento del perfil de flujo formado en la prctica. Determinar el tipo de flujo que se presenta por medio de un vertedero rectangular. Aplicar el mtodo de Integracin Grfica en la determinacin del perfil de flujo.


Canal Rectangular Vertedero Rectangular.

Limnmetro. Cronometro. Balde. Metro.

3.3. PROCEDIMIENTO.o Adaptar el vertedero en la parte central del canal.o Disponer el canal de pendiente variable en una inclinacin conocida.o Alimentar el canal con un caudal determinado por medio de la vlvula

o Medir las dimensiones del canal.o Registrar tiempos de descarga del caudal.o Verificar que el flujo se encuentre estabilizado para empezar a registrar lecturas de

lmina de agua.o Para esta misma pendiente, tmese diferentes lecturas de lmina de agua,

variando el caudal que alimenta el canal por medio de la vlvula.

3.4. FUNDAMENTACIN TERICA

El flujo gradualmente variado constituye una clase especial del flujo permanente nouniforme. En este tipo de flujo el rea, la rugosidad, la pendiente del fondo y el radiohidrulico varan muy poco (si es que lo hacen) a lo largo del canal, las lneas decorriente son rectas y prcticamente paralelas.


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Ing. Jos Julin Villate Corredor. Laboratorio N3 Flujo Gradualmente Variado.


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Cualquiera que sea el valor del caudal, la pendiente y la forma de la seccin transversal,stas desigualdades dividen el canal en tres zonas en las cuales se puede desarrollar el

perfildel flujo. Estas zonas son:

Zona 1. Cuando el perfil se encuentra por arriba de la lnea superiorZona 2. Cuando el perfil se encuentra entre las dos lneasZona 3. Cuando el perfil se encuentra entre la lnea inferior y la plantilla del canal.

Figura 4 Clasificacin por zonas para una pendiente subcrtica

La clasificacin de los perfiles de flujo variado est basada en la pendiente del canal y enla zona en que se localiza el perfil. En el caso de pendiente positiva (el fondo del canal

desciende en la direccin del flujo), se puede establecer un flujo uniforme de tirante Yn,por lo cual dicha pendiente podra ser:

Supercrtico1 perfil S Subcrtico Yn>YcF


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Para el desarrollo de esta prctica se va a seguir el procedimiento de clculo de perfilhidrulico por el mtodo de Integracin Grfica, plasmado en el libro Hidrulica de

Canales de Ven Te Chow, el cual se resaltan algunos parmetros a continuacin:Teniendo como datos iniciales Volumen, ancho del canal, Pendiente, y rugosidad delmaterial se procede al clculo del Caudal por medio de los tiempos registrados y elvolumen manejado. En seguida, teniendo lecturas limnimtricas y lecturas de fondo seestablece la altura de lmina de agua a partir de las cuales se puede establecer el perfilde flujo con las distancias horizontales registradas.

Se tiene que determinar los tirantes normales y crticos por medio de las siguientesecuaciones:

(Ecuacin para el clculo del Tirante Normal) (Ecuacin para el clculo del Tirante Crtico)

Teniendo como seccin de control el vertedero rectangular es necesario determinar lasdimensiones y la altura desde donde se va a calcular el perfil de flujo, cuando lavelocidad es baja, la ecuacin para un vertedero es la siguiente:

Donde:Q= Caudal (m/s)

L= Longitud del vertedero (m)

h= atura de la lmina de agua sobre la cresta del vertedero.

Coeficiente indicador de las condiciones de escurrimiento del agua sobre elvertedero, el cual est definido por h y

donde h es la lamina de agua sobre la cresta yHd es la altura del vertedero.

Como se tienen los datos de altura del vertedero y altura de lmina de agua sobre la

cresta de este mismo, se calcula la altura total Y (m)que hace referencia a la altura delvertedero mas la altura de la lamina de agua sobre la cresta del mismo, posteriormentese procede a seguir los lineamientos del mtodo de integracin directa plasmados en ellibro anteriormente nombrado, el cual exige los siguientes clculos.


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Y (m)Tirante que inicia con el valor total de lmina de agua sobre la cresta ms altura total del

vertedero y va disminuyendo segn como se est calculando el perfil de flujo.

A (m) rea calculada por medio del producto del Y (anterior) y la base del canal.T (m) Ancho superficial que en este caso hace es la misma base del canal.

RH Radio Hidrulico, calculado como rea/Permetro.

V (m/s) Velocidad calculada con Caudal / rea.

K Z

dx/dy

E Energa = SF Pendiente de friccin calculada mediante e despeje de la ecuacin de Manning =

SFp

Promedio de las Pendientes halladas anteriormente, la primer casilla no tiene valor, seempieza a hacer promedio en la segunda casilla con los dos valores respectivos de

pendientes

X

Longitud del tramo calculada mediante: Donde E1 y E2 son las energascalculadas para los puntos 1 y 2 respectivamente, S es la pendiente del canal, y SFp es el

promedio de pendientes calculado anteriormente.

XDistancia desde la seccin en consideracin hasta el sitio del vertedero, son los valores

acumulados de X

3.5. CUESTIONARIO. Determinar el caudal que circula por el canal. Establecer el tipo de perfil formado, por medio del clculo de tirantes ctrico y

normal. Realizar el clculo de la seccin de control (en este caso del vertedero). Determinar los perfiles de flujo por medio de la grfica de lecturas limnimtricas vs

distancias horizontales. Realizar la curva f(y) vs Y Establecer la curva de remanso. Establecer el rgimen de flujo encontrado en la prctica. Analizar el comportamiento del flujo y su variabilidad de acuerdo a las condiciones

en que se realiza la prueba de laboratorio.


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_____________________________ ______________ ___________________________________________ ______________ ___________________________________________ ______________ ______________


Volumen (m)

Ancho del canal (m):

PENDIENTE

Manning

Tiempo (segundos) Volumen (m) Caudal (m/s) Caudal (m/s)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

1415

16

17

18

19

20

PENDIENTE 1

Puntos de

Lectura

Distancia Horizontal

(cm)


acumulada (m)

LECTURA

LIMIMETRICA (cm)L. fondo (cm) Tirante (m)


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TABLA RESUMEN

CAUDAL (m/s) Y (m)TIRANTE NORMAL

(m)TIRANTE

CRTICO (m)TIPO DE PERFIL

C= 1,5 H = (Q/CL)^2/3 Zc =

L(m) = Y0 = P+h Kn =

P =

dx/dyCLCULO DE LA SECCIN DE CONTROL

SFpY A T R R^2/3 V XXK Z dx/dy E SF

3.8. GRFICAS A REALIZAR.

32.5

3333.5

34

34.5

35

35.5

36

36.5

37

0 100 200 300 400 500 600

LecturaLimnimetrica(cm)

Distancia Horizontal (cm)

Perfil de Flujo


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0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6

f(y)

Y

CURVA dx/ dy vs Y

0

1

2

3

4

5

6

-3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0

Y

X

Perfil de Remanso


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Ing. Jos Julin Villate Corredor. Laboratorio N 4 Flujo Gradualmente Variado


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LABORATORIO N 4 FLUJO GRADUALMENTE VARIADO.

4.1. OBJETIVOS.

Analizar el comportamiento del flujo gradualmente variado en un canal abierto. Reconocimiento del perfil de flujo formado en la prctica. Determinar el tipo de flujo que se presenta por medio de una compuerta. Aplicar el mtodo de Paso Directo en la determinacin del perfil de flujo.


Canal Rectangular Compuerta.

Limnmetro. Cronometro. Balde. Metro.

4.3. PROCEDIMIENTO.o Adaptar la compuerta en la parte central del canal.o Disponer el canal de pendiente variable en una inclinacin conocida.o Alimentar el canal con un caudal determinado por medio de la vlvula

o Medir las dimensiones del canal.o Registrar tiempos de descarga del caudal.o Verificar que el flujo se encuentre estabilizado para empezar a registrar lecturas de

lmina de agua.o Para esta misma pendiente, tmese diferentes lecturas de lmina de agua,

variando el caudal que alimenta el canal por medio de la vlvula.


El flujo gradualmente variado constituye una clase especial del flujo permanente nouniforme. En este tipo de flujo el rea, la rugosidad, la pendiente del fondo y el radiohidrulico varan muy poco (si es que lo hacen) a lo largo del canal, las lneas decorriente son rectas y prcticamente paralelas.

La clasificacin de los perfiles de flujo variado est basada en la pendiente del canal y enla zona en que se localiza el perfil. En el caso de pendiente positiva (el fondo del canal


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desciende en la direccin del flujo), se puede establecer un flujo uniforme de tirante Yn,por lo cual dicha pendiente podra ser:

Supercrtico Yn1 perfil S Subcrtico Yn>YcF


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Figura 5 Perfil Generado Utilizando Compuerta Hidrulica.

Para el desarrollo de esta prctica se va a seguir el procedimiento de clculo de perfilhidrulico por el mtodo de Paso Directo, plasmado en el libro Hidrulica de Canales deVen Te Chow, el cual se resaltan algunos parmetros a continuacin:Teniendo como datos iniciales Volumen, ancho del canal, Pendiente, y rugosidad delmaterial se procede al clculo del Caudal por medio de los tiempos registrados y elvolumen manejado. En seguida, teniendo lecturas limnimtricas y lecturas de fondo seestablece la altura de lmina de agua a partir de las cuales se puede establecer el perfilde flujo con las distancias horizontales registradas.

Se tiene que determinar los tirantes normales y crticos por medio de las siguientesecuaciones:

(Ecuacin para el clculo del Tirante Normal)

(Ecuacin para el clculo del Tirante Crtico)Teniendo como seccin de la compuerta es necesario determinar las dimensiones y laaltura desde donde se va a calcular el perfil de flujo, que en este caso es la distancia quehay entre el fondo del canal y la compuerta, ste sera el valor correspondiente a Y (m);

posteriormente se procede a seguir los lineamientos del mtodo de Paso Directoplasmados en el libro anteriormente nombrado, el cual exige los siguientes clculos.


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CANALES|Tunja2013

Y (m)Tirante que inicia con el valor total de lmina de agua sobre la cresta ms altura total del

vertedero y va disminuyendo segn como se est calculando el perfil de flujo.

A (m) rea mojada calculada por medio del producto del Y (anterior) y la base del canal.RH Radio Hidrulico, calculado como rea/Permetro.

V (m/s) Velocidad calculada con Caudal / rea.

E Energa especfica = E

Cambio en la energa especfica, obtenido a travs de la diferencia de energas calculadasanteriormente (E2-E1)

SF Pendiente de friccin calculada mediante e despeje de la ecuacin de Manning =

Promedio de las Pendientes halladas anteriormente, la primer casilla no tiene valor, seempieza a hacer promedio en la segunda casilla con los dos valores respectivos de

pendientes Diferencia entre la pendiente de Fondo y la pendiente de friccin promedio.X

Longitud del tramo calculada mediante: Donde E1 y E2 son las energascalculadas para los puntos 1 y 2 respectivamente, S es la pendiente del canal, y SFp es el

promedio de pendientes calculado anteriormente.

XDistancia desde la seccin en consideracin hasta el sitio del vertedero, son los valores

acumulados de X

4.5. CUESTIONARIO. Determinar el caudal que circula por el canal. Establecer el tipo de perfil formado, por medio del clculo de tirantes ctrico y

normal. Realizar el clculo de la seccin de control (en este caso de la compuerta). Determinar los perfiles de flujo por medio de la grfica de lecturas limnimtricas vs

distancias horizontales. Realizar la curva f(y) vs Y Establecer la curva de remanso. Establecer el rgimen de flujo encontrado en la prctica. Analizar el comportamiento del flujo y su variabilidad de acuerdo a las condiciones

en que se realiza la prueba de laboratorio. Analizar la diferencia entre el mtodo de Integracin Grfica trabajado en el

anterior laboratorio y el mtodo de Paso Directo trabajado en el presentelaboratorio.


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_____________________________ ______________ ___________________________________________ ______________ ___________________________________________ ______________ ______________


Volumen (m)


PENDIENTE

Manning

Tiempo (segundos) Volumen (m) Caudal (m/s) Caudal (m/s)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

1415

16

17

18

19

20

PENDIENTE 1

Puntos de

Lectura


(cm)


acumulada (m)

LECTURA

LIMIMETRICA (cm)L. fondo (cm) Tirante (m)


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TABLA RESUMEN

CAUDAL (m/s) Y (m)TIRANTE NORMAL

(m)TIRANTE

CRTICO (m)TIPO DE PERFIL

Y A R XXV E SF SFp

4.8. GRFICAS A REALIZAR.

32.5

33

33.534

34.5

35

35.5

36

36.5

37

0 100 200 300 400 500 600

Lectura

Limnimetrica(cm)

Distancia Horizontal (cm)

Perfil de Flujo


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0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6

f(y)

Y

CURVA dx/ dy vs Y

0

1

2

3

4

5

6

-3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0

Y

X

Perfil de Remanso


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Ing. Jos Julin Villate Corredor. Laboratorio N 5 Flujo Rpidamente Variado


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LABORATORIO N 5 FLUJO RPIDAMENTE VARIADO.

5.1. OBJETIVOS. Identificar el resalto hidrulico en el canal abierto del laboratorio de Hidrulica. Establecer los tipos de resalto hidrulico existentes y que se pueden formar en el

desarrollo de la prctica. Calcular la prdida de energa que genera el resalto, medir la longitud del mismo

y establecer si se requiere o no de una estructura disipadora de energa. Calcular tericamente la longitud del resalto, la energa mnima del resalto, la

energa especifica del mismo y la profundidad critica. Establecer las aplicaciones y usos del resalto hidrulico en la Ingeniera.

5.2. EQUIPOS A UTILIZAR. Canal Rectangular Compuerta. Limnmetro. Cronometro. Balde. Metro.

5.3. PROCEDIMIENTO.

o Disponga el canal de pendiente variable en la mayor inclinacin posible.o Adaptar la compuerta en la parte central del canal.o Graduar el caudal por medio de la vlvula empezando de un valor bajo, para ir

ascendiendo a medida que avanza la prctica de laboratorio.o Espere que normalice o se estabilice las alturas de lmina de agua antes del

resalto y poco despus del resalto hidrulico, y registrar las alturas lmina deagua en los puntos establecidos en el canal.

o Registrar el tiempo de descarga del caudal.o Medir tentativamente la longitud del resalto hidrulico.o Repetir la prueba para diferentes niveles caudales.


El flujo rpidamente variado se presenta cuando en una corta distancia se presenta uncambio brusco en las caractersticas del flujo, el ejemplo ms representativo de ste tipode flujo es el salto hidrulico. Cuando ocurre un cambio de rgimen del flujo de


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Ing. Jos Julin Villate Corredor. Laboratorio N5 Flujo Rpidamente Variado.


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supercrtico a subcrtico, generalmente se manifiesta mediante un cambio brusco en laelevacin del agua, de un nivel bajo a uno alto, acompaado por una disipacin

importante de energa, se conoce como salto hidrulico (ver figura 7), en el cual sepresentan dos tirantes denominados tirantes conjugados. Este cambio de rgimengeneralmente va acompaado por una importante prdida de energa.

Figura 6 Salto Hidrulico.

Teniendo en cuenta la Figura N 7, el subndice 1 indica las caractersticas hidrulicasdel rgimen supercrtico asociadas al tirante conjugado menor, y el subndice 2 lascaractersticas hidrulicas del rgimen subcrtico asociadas al conjugado mayor, separticularizan los resultados a diferentes secciones transversales. Para las seccionesrectangulares las ecuaciones obtenidas son:

Rgimen Supercrtico conocido: [ ] Rgimen Subcrtico conocido:

[ ]El resalto hidrulico como ya se haba nombrado es el paso de un flujo supercrtico aflujo subcrtico, este cambio sucede bruscamente y se producen grandes turbulenciasen las cuales se presenta una prdida de energa que caracteriza el tipo de resalto yadems lo hace til, ya sea para reducir la energa de aguas, ya que esta turbulenciapuede reemplazar un mezclador. Este fenmeno se presenta tambin frecuentemente


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en la base de embalses, aguas debajo de compuertas y en los alrededores deobstculos sumergidos. El resalto se clasifica segn el nmero de Froude (Fr) as:

En la esta prctica se toman como tirantes conjugados los registros de los puntos 5 y 6,a partir de los cuales se puede establecer las velocidades en dichos puntos con elcaudal calculado por medio del volumen y promedios de tiempos.

Se van a determinar las caractersticas bsicas del resalto hidrulico, las cuales son:

Prdida de Ener ga: es igual a la diferencia de las energas especficas antes ydespus del resalto hidrulico, la prdida es:

Prd id a Relat iv a:es la relacin Eficiencia: es la relacin entre la energa especifica antes y despus del resalto:

( )


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La eficiencia de un resalto es una funcin adimensional que solo depende del nmerode Froude del flujo de aproximacin (calculado a partir de la ecuacin de rgimen

supercrtico conocido).

Altura d el Resalto: corresponde a la diferencia entre las profundidades antes ydespus del resalto:

LONGITUD DEL RESALTO HIDRULICO.

Distancia media desde la cara frontal del resalto hasta el punto en la superficieinmediatamente aguas abajo del remolino. Esta longitud no puede determinarse con

facilidad, sin embargo el clculo clsico es mediante la ecuacin de Smetana: CURVAS CARACTERSTICAS.

Las curvas caractersticas del resalto hidrulico en canales rectangulares son:

PERFIL SUPERFICIAL DE UN RESALTO HIDRULICO.

Se puede representar mediante curvas adimensionales para varios valores de F1

Los valores de Y y X, se tienen que mediren laboratorio, haciendo referencia amediciones que se observan en la siguientefigura:


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5.5. CUESTIONARIO.

Calcular las caractersticas bsicas del resalto hidrulico.

Calcular la longitud del resalto hidrulico.

Clasificar el resalto hidrulico formado de acuerdo al nmero de Froudecalculado.

Realizar las curvas caractersticas del resalto hidrulico ya nombradas.

Graficar el perfil superficial de un resalto hidrulico y establecer la importanciaque tiene la determinacin de este.

Describir el comportamiento del flujo en general, haciendo nfasis en las zonasinmediatamente antes y despus del resalto hidrulico formado por lapresencia de la compuerta.

Realizar una consulta de las aplicaciones y usos que tiene el resalto hidrulicocomo disipador de energa.

Realizar una consulta bibliogrfica de la localizacin optima del resaltohidrulico.


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5.6. FORMATO DE TOMA DE DATOS.

Firma del laboratorista: _______________________________ Fecha: ___/___/_____

NOMBRES CDIGOS FIRMAS_____________________________ ______________ ___________________________________________ ______________ ___________________________________________ ______________ ______________


Volumen (m)


PENDIENTE

Manning

1 2 3 4 5 (Y1) 6 (Y2) 7 8 9 T1 T2 T3

1

2

3

4Distancia X(cm)

L. fondo (cm)

TIEMPO (segundos)LongitudResalto

PENDIENTE =

CAUDALLECTURA LIMIMTRICA (cm)

X Y

Perfil Superficial Resalto


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1 2 3 4 5 (Y1) 6 (Y2) 7 8 9

1

2

3

4

Longitud

Resalto

TIRANTE (m)Q q (m^2/s)

X (cm)

L. fondo (cm)

Tprom(sg) Q (m 3/s)

1

2

3

4

E(m)Prdida

Relativa

Altura del

ResaltoQ Y1 (m) Y2 (m) A1 (m)

V2

(m/s)

V1

(m/s)A2 (m) E1 (m) E2 (m) EficienciaFr 1

CARACTERSTICAS BSICAS DEL RESALTO HIDRULICO

Lr (cm)

L=6*(h2-h1)

Tirante

Crtico (m)

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