UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD

DEL CUSCOFACULTAD DE INGENIERÍA

CIVIL

MECANICA DE FLUIDOS II

INFORME DE LABORATORIO: VERTEDEROS

DOCENTE:

Ing. ALCIDES AYABAR GALDOS

Fecha de realización del laboratorio : 27/09/2015

Fecha de entrega del informe : 07/10/2015

INTEGRANTES:1. CHOQUEHUANCA MAMANI JIMY2. CHOQUEMAQUI MOSO SUSAN3. ROMOACCA CAZA ARACELY ASTRID4. SOTO TORRES HECTOR ANTONIO

UNIVERSIDA NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCOInforme N°2 – Medición de flujo a través de un vertedero

5. VALER MEDINA MATT AIRTON

2015-II

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INTRODUCCIÓN

Se define como vertedero a toda estructura construido en un canal abierto por encima de la que fluye una corriente, con el propósito de aforarlo. También como es un dique o pared que intercepta una corriente de un líquido con una superficie libre, causando una modificación del nivel del fluido aguas arriba, por esos los vertederos se emplean bien sea para controlar ese nivel, es decir, mantener un nivel aguas arriba que no exceda un valor límite o bien para medir el caudal circulante por un canal.

Los vertederos de pared delgada, compuertas de desagüe, expansiones o contracciones, en la sección transversal de un canal abierto, originan un flujo de variación rápida. Usualmente los flujos de variación rápida son complicados por el hecho de que implican importantes efectos multidimensionales y transitorios, flujos en reserva y separación de flujos, por lo tanto dichos flujos por lo general se estudian de manera experimental o numéricamente.

Cuando un flujo en canales abiertos experimenta esto se dice que experimenta un salto hidráulico, donde es necesario establecer las siguientes hipótesis:

La velocidad es casi constante entre las secciones 1 y 2 del canal. La presión en el fluido varía hidrostáticamente y se considera solo la presión

manométrica ya que la presión atmosférica actúa sobre todas las superficies por igual.

El esfuerzo de corte y las perdidas asociadas a la fricción son despreciables respecto a las perdidas asociadas a la intensidad del salto.

El canal se considera de sección transversal constante. No existen fuerzas externas más que la gravedad.

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MARCO TEÓRICO

El vertedero hidráulico o aliviadero es una estructura hidráulica destinada a propiciar el pase, libre o controlado, del agua en los escurrimientos superficiales, siendo el aliviadero en exclusiva para el desagüe y no para la medición. Existen diversos tipos según la forma y uso que se haga de ellos, a veces de forma controlada y otras veces como medida de seguridad en caso de tormentas en presas.

FUNCIONES

Tiene varias finalidades entre las que se destaca:

Garantizar la seguridad de la estructura hidráulica, al no permitir la elevación del nivel, aguas arriba, por encima del nivel máximo (NAME por su siglas Nivel de Aguas Máximas Extraordinarias)

Garantizar un nivel con poca variación en un canal de riego, aguas arriba. Este tipo de vertedero se llama "pico de pato" por su forma

Constituirse en una parte de una sección de aforo del río o arroyo. Disipar la energía para que la devolución al cauce natural no produzca daños. Esto

se hace mediante saltos, trampolines o cuencos.

En una presa se denomina vertedero a la parte de la estructura que permite la evacuación de las aguas, ya sea en forma habitual o para controlar el nivel del reservorio de agua.

Generalmente se descargan las aguas próximas a la superficie libre del embalse, en contraposición de la descarga de fondo, la que permite la salida controlada de aguas de los estratos profundos del embalse.

VERTEDERO COMO ELEMENTO DE CANAL

Los vertederos se usan conjuntamente con las compuertas para mantener un río navegable o para proveer del nivel necesario a la navegación. En este caso, el vertedero está construido significativamente más largo que el ancho del río, formando una "U" o haciendo diagonales, perpendicularmente al paso. Dado que el vertedero es la parte donde el agua se desborda, un vertedero largo permite pasar una mayor cantidad de agua con un pequeño incremento en la profundidad de derrame. Esto se hace con el fin de minimizar las fluctuaciones en el nivel de río aguas arriba.1

Los vertederos permiten a los hidrólogos un método simple para medir el caudal en flujos de agua. Conocida la geometría de la zona alta del vertedero y el nivel del agua sobre el vertedero, se conoce que el líquido pasa de régimen lento a rápido, y encima del vertedero de pared gruesa, el agua adopta el calado crítico.

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Los vertederos son muy utilizados en ríos para mantener el nivel del agua y ser aprovechado como lagos, zona de navegación y de esparcimiento. Los molinos hidráulicos suelen usar presas para subir el nivel del agua y aprovechar el salto para mover las turbinas.

Debido a que un vertedero incrementa el contenido en oxígeno del agua que pasa sobre la cresta, puede generar un efecto benéfico en la ecología local del río. Una represa reduce artificialmente la velocidad del agua, lo que puede incrementar los procesos de sedimentación, aguas arriba; y un incremento de la capacidad de erosión aguas abajo. La represa donde se sitúa el vertedero, al crear un desnivel, representa una barrera para los peces migratorios, que no pueden saltar de niveles.

CLASIFICACIONES

Los vertederos pueden ser clasificados de varias formas:

Por su localización en relación a la estructura principal: Vertederos frontales Vertederos laterales Vertederos tulipa; este tipo de vertedero se sitúa fuera de la presa y la

descarga puede estar fuera del cauce aguas abajo. (Vertedero tulipa descargando agua)

desde el punto de vista de los instrumentos para el control del caudal vertido: Vertederos libres, sin control. Vertederos controlados por compuertas.

desde el punto de vista de la pared donde se produce el vertimiento: Vertedero de pared delgada Vertedero de pared gruesa Vertedero con perfil hidráulico

desde el punto de vista de la sección por la cual se da el vertimiento: Rectangulares Trapezoidales Triangulares Circulares Lineales, en estos el caudal vertido es una función lineal del tirante de agua

sobre la cresta desde el punto de vista de su funcionamiento, en relación al nivel aguas abajo:

Vertedero libre, no influenciado por el nivel aguas abajo Vertedero ahogado

desde el punto de vista de su función principal Descarga de demasías, permitiendo la salida del exceso de agua de las

represas, ya sea en forma libre, controlada o mixta, en este caso, el vertedero

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es también conocido como aliviadero. Estas estructuras son las encargadas de garantizar la seguridad de la obra hidráulica como un todo;

Como instrumento para medir el caudal, ya sea en forma permanente, en cuyo caso se asocia con una medición y registro de nivel permanente, o en una instalación provisional, para aforar fuentes, o manantiales;

Como estructura destinada al mantenimiento de un nivel poco variable aguas arriba, ya sea en un río, donde se quiere mejorar o garantizar la navegación independientemente del caudal de este; o en un canal de riego donde se quiera garantizar un nivel poco variable aguas arriba, donde se ubica una toma para un canal derivado. En este caso se trata de vertederos de longitud mayor que el ancho del río o canal. La longitud del vertedero se calcula en función de la variación de nivel que se quiere permitir;

Como dispositivo para permitir la salida de la lámina superficial del agua en decantadores en plantas potabilizadoras de agua;

Como estructuras de repartición de caudales. Como estructura destinada a aumentar la aireación (oxigenación) en cauces

naturales favoreciendo de esta forma la capacidad de autodepuración de sus aguas. En este caso se trata siempre de vertederos de paredes gruesas, más asimilables asaltos de fondo.

VERTEDERO RECTANGULAR

La fórmula fundamental de caudal vertido en vertederos de sección rectangular, sin contracción, también conocido como vertedero de Bazin, es la siguiente:

Dónde:

Q = caudal en m3/s

= es un coeficiente indicador de las condiciones de escurrimiento del agua sobre el vertedero

L = longitud de la solera del vertedero en m h = altura de la lámina vertiente sobre la cresta en m g = aceleración de la gravedad, en m/s2

V0 = velocidad de llegada de la corriente inmediatamente aguas arriba del vertedero, en m/s

Si el vertimiento fuera de lámina contraída, se debe hacer una corrección, substrayendo: 0.1 h del valor de L por cada contracción.

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Cuando la velocidad de aproximación es baja se puede simplificar la ecuación de la siguiente forma:

Dónde:

- además de otros factores considera la velocidad de aproximación.

Las características del tipo de flujo que afectan pueden ser definidas

por h y

Dónde:

= altura del vertedero en m

Los valores de se encuentran en la tabla siguiente

Hd/h h=0.05 h=0.10 h=0.20 h=0.40 h=0.60 h=0.80 h=1.00 h=1.50

0.5 2.316 2.285 2.272 2.266 2.263 2.262 2.262 2.261

1.0 2.082 2.051 2.037 2.030 2.027 2.026 2.025 2.024

2.0 1.964 1.933 1.919 1.912 1.909 1.908 1.907 1.906

10.0 1.870 1.839 1.824 1.817 1.815 1.814 1.813 1.812

\infty 1.846 1.815 1.801 1.793 1.791 1.790 1.789 1.788

VERTEDERO TRIANGULAR

Para medir caudales muy pequeños (menos de 6 litros por segundo), se obtiene mejor precisión utilizando aliviaderos de pared delgada de sección triangular, pues la presión varía con la altura, dándose un gran gradiente de velocidad entre la parte inferior del triángulo y la superior.1 El caudal sobre un aliviadero triangular es dado por la fórmula:

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Dónde:

= ángulo del vértice del triángulo

= aproximadamente a 0.58 variando ligeramente con la carga y el ángulo de la abertura.

VERTEDERO DE CIPOLETTI

El vertedero tipo Cipoletti es trapezoidal. La inclinación de los lados es de 4v/1h (4 unidades en la vertical por 1 unidad den la horizontal). El mayor caudal que pasa por la inclinación de los lados del trapecio, compensa la contracción lateral de los vertederos rectangulares, por lo tanto pueden utilizarse la fórmula y la tabla de coeficientes correspondiente al vertedero rectangular.

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PROCEDIMIENTO A EXPERIMENTAR

1. Colocar el vertedero en el canal, con el lado liso hacia aguas arriba.2. Dejar que transcurra un flujo hasta el nivel de la cresta del vertedor y medir la

profundidad. Este nivel es la referencia para tomar las diferentes alturas de carga (h).

3. Ajustar el caudal al máximo posible sin que el vertedor se ahogue.4. Dejar que el flujo que transcurre se establezca para después realizar las medidas

respectivas de h (altura) y Q (caudal).

ANÁLISIS DE RESULTADO

Vertedor Rectangular:

PRUEVA

V(m^3) t(seg)

Q(m^3/s) h Q^(2/3) log(h) log(Q) h/b Cd

1 0.030888

5.2 0.00594 0.066 2.0958E-07

-1.1804560

6

-2.2262135

6

0.165 0.29658713

2.2

2 0.029484

6.2 0.00475548

0.063 1.0754E-07

-1.2006594

5

-2.3228052

9

0.1575 0.25460425

2.1

3 0.026676

5.9 0.00452136

0.057 9.2429E-08

-1.2441251

4

-2.3447313 0.1425 0.28127956

1.9

4 0.030888

5.3 0.00582792

0.066 1.9794E-07

-1.1804560

6

-2.2344860

8

0.165 0.29099115

2.2

5 0.032292

5.6 0.00576643

0.069 1.9174E-07

-1.1611509

1

-2.2390930

8

0.1725 0.2693488 2.3

6 0.030186

5.8 0.00520448

0.0645

1.4097E-07

-1.1904402

9

-2.2836224

3

0.16125

0.26897986

2.15

7 0.041418

5.3 0.00781472

0.0885

4.7724E-07

-1.0530567

3

-2.1070867

5

0.22125

0.25129284

2.95

8 0.025272

5.2 0.00486 0.054 1.1479E-07

-1.2676062

4

-2.3133637

3

0.135 0.32788941

1.8

9 0.029484

6.2 0.00475548

0.063 1.0754E-07

-1.2006594

5

-2.3228052

9

0.1575 0.25460425

2.1

10 0.032292

5.3 0.00609283

0.069 2.2618E-07

-1.1611509

-2.2151809

0.1725 0.28459496

2.3

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1 3

Gráficas:

0.05 0.055 0.06 0.065 0.07 0.075 0.08 0.085 0.09 0.0950

0.0050.01

0.0150.02

0.0250.03

0.0350.04

0.045

Q2/3 f(h)

h

Q2/

3

-1.3 -1.25 -1.2 -1.15 -1.1 -1.05 -1

-2.4-2.35

-2.3-2.25

-2.2-2.15

-2.1-2.05

-2-1.95

LogQ f(logh)

Log (h)

LogQ

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HALLAR EL VALOR DE Cd. ¿Éste se mantiene constante?

La constante de descarga no se mantiene constante, pero los diferentes valores tienen una aproximación al valor promedio de las constantes.

Promedio=0.278

SUGERIR UNA RELACIÓN GRÁFICA ENTRE Cd y h/b. ¿QUÉ RELACIÓN TIENE Q Y H?

h/b Cd0.161 0.3000.173 0.2430.173 0.2560.221 0.2510.165 0.2750.165 0.266

0.05 0.055 0.06 0.065 0.07 0.075 0.08 0.085 0.09 0.0950

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

Cd f(h)

h

Cd

Cd0.3000.2430.2560.2510.2750.2660.3220.3040.2550.313

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0.135 0.3220.158 0.3040.158 0.2550.143 0.313

RELACION ENTRE Q Y H.

La relación que tiene el caudal (Q) y la altura (H) es proporcional, pues mientras más es la altura, más es el caudal.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 00.0000.0500.1000.1500.2000.2500.3000.350

relacion de CD Y H/B

h/b Cd

1 2 3 4 5 6 7 8 9 100.000

0.050

0.100

0.150

0.200

0.250

0.300

0.350RELACIÓN DE Cd Y h/b

h/b Cd

Q(m^3/s) h0.00581 0.0650.00521 0.0690.00547 0.0690.00781 0.0890.00552 0.0660.00533 0.0660.00477 0.0540.00567 0.0630.00476 0.0630.00503 0.057

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1 2 3 4 5 6 7 8 9 100.000000.010000.020000.030000.040000.050000.060000.070000.080000.090000.10000

RELACION EN Q Y H

Q(m^3/s) h

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1 2 3 4 5 6 7 8 9 100.00000

0.01000

0.02000

0.03000

0.04000

0.05000

0.06000

0.07000

0.08000

0.09000

0.10000

RELACION ENTRE Q Y H

Q(m^3/s) h

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CONCLUSIONES

Esta práctica fue de gran ayuda ya que nos ayudó a observar cómo funciona un vertedero y un resalto hidráulico, así como también realizar mediciones observar cómo se comportan los caudales y como varían respecto a la altura. Fue de gran ayuda también para determinar la velocidad del resalto hidráulico y sus relaciones de profundidades y energía, cálculos que ya se había hecho en clase pero que ahora se realizaron de manera más interactiva permitiéndonos poder observar cómo funciona todo y realizar nosotros mismo las mediciones. En general pudimos observar que en el vertedero el caudal varia de manera proporcional a la altura, mientras que el coeficiente de descarga del vertedero permanecía casi constante, incluso la variación fue tan pequeña que solo podrá observarse al visualizar más de 5 decimales en el resultado del cálculo. En el caso del resalto hidráulico nos permitió observar desde otra perspectiva las relaciones de profundidad y la energía.