UNIVERSIDAD DE SAN MARTIN DE PORRES

UNIVERSIDAD DE SAN MARTIN DE PORRESESCUELA DE INGENIERIA CIVIL LABORATORIO N 1: FLUJO UNIFORME

Facultad de Ingeniera y ArquitecturaEscuela de Ingeniera Civil

LABORATORIO DE MECNICA DE FLUIDOS II

LABORATORIO N 1: FLUJO UNIFORME

Chiclayo, 02 de junio del 2014DVILA MONTEZA, Lizbeth Isamar

Ing. Wilmer Zelada ZamoraMecnica de Fluidos II

CONTENIDO

INTRODUCCIN3OBJETIVOS4I.MARCO TERICO51.1.CANALES: DEFINICIONES PRINCIPIOS BSICOS51.1.1.SECCIONES TRANSVERSALES51.1.2.ELEMENTOS GEOMTRICOS DE UNA SECCIN TRANSVERSAL61.1.3.CLASIFICACIN DEL FLUJO EN CANALES ABIERTOS71.1.4.NMERO DE FROUDE81.2.FLUJO PERMANENTE: FLUJO UNIFORME8II.MATERIALES Y/O EQUIPOS9III.PROCEDIMIENTO11IV.TOMA Y PROCESAMIENTO DE DATOS12V.RESULTADOS17CONCLUSIONES17BIBLIOGRAFA18ANEXOS19

INTRODUCCIN

El lquido que fluye en los canales tiene una superficie libre y sobre l no acta otra presin que la debida a su propio peso y a la presin atmosfrica. El flujo en canales abiertos tambin tiene lugar en la naturaleza, como en ros, arroyos, etc. en general con secciones rectas de cauces irregulares.De forma artificial creadas por el hombre, tienen lugar los canales, acequias y canales de desage, en la mayora de casos los canales tienen secciones rectas regulares y suelen ser rectangulares, triangulares o trapezoidales.Para poder comprender por completo el comportamiento de un fluido en un canal, se necesitan determinar un gran nmero de caractersticas o parmetros que, juntos y/o individualmente, proporcionan datos muy importantes obtenidos a partir de consideraciones por dems significativas. De todos aquellos parmetros probablemente el ms sencillo de calcular y, por consiguiente, los que puede proporcionar informacin rpida del tipo de flujo que se desarrolla es el nmero de Froude, el cual ayuda a caracterizar el tipo de flujo presente en un canal abierto.

OBJETIVOS

Familiarizarse con la medicin de las magnitudes habituales al tratar con conducciones abiertas.

Observar y analizar las caractersticas fsico-hidrulicas de los canales abiertos y del flujo uniforme.

Determinar el flujo de los canales de forma rectangular y realizar mediciones como la profundidad, caudal, teniendo en cuenta el volumen y el tiempo.

Determinar el coeficiente de la ecuacin de Manning del canal de Laboratorio, estableciendo para ello el rgimen uniforme en dicho canal.

I. MARCO TERICO1.1. CANALES: DEFINICIONES PRINCIPIOS BSICOSLos canales son conductos en los que el agua circula debido a la accin de gravedad y sin ninguna presin, pues la superficie libre del lquido est en contacto con la atmosfera. Los canales pueden ser naturales (ros o arroyos) o artificiales (construidos por el hombre).1.1.1. SECCIONES TRANSVERSALES

Seccin Trapezoidal: Se usa siempre en canales de tierra y en canales revestidos. Seccin Rectangular: Se emplea para acueductos de madera, para canales excavados en roca y para canales revestidos. Seccin Triangular: Se usa para cunetas revestidas en las carreteras, tambin en canales de tierra pequeos fundamentalmente por facilidad de trazo. Seccin Parablica: Se emplea a veces para canales revestidos y es la forma que toman aproximadamente muchos canales naturales y canales viejos de tierra. Seccin Circular y de Seccin de Herradura: Se usan comnmente para alcantarillas y estructuras hidrulicas importantes.

FIGURA 1. Secciones transversales de canales abiertos

1.1.2. ELEMENTOS GEOMTRICOS DE UNA SECCIN TRANSVERSALUn canal abierto presenta las siguientes caractersticas en funcin del flujo que transporta y de la seccin geomtrica del canal:

Tirante (y): Es la distancia vertical desde el punto ms bajo de la plantilla del canal hasta las superficie libre del lquido transportado. Espejo de agua (T): Es el ancho del canal a la altura de la cual se presenta la superficie lquido del fluido. Ancho de solera (b): Es el ancho de la base del canal, en canales rectangulares el ancho de solera es igual al espejo de agua. Tambin ancho de plantilla. Talud (Z): Es la relacin de la proyeccin horizontal a la vertical de la pared lateral, se llama tambin talud de paredes laterales del canal. Es decir Z es el valor de la proyeccin horizontal cuando la vertical es 1. En canales rectangulares el talud es 0. rea hidrulica (A): Es el rea transversal del fluido normal, es decir es el rea ocupada por el lquido en una seccin trasversal Permetro mojado (P): Es la parte del contorno del conducto que est en contacto con el lquido. Radio hidrulico (R): Es la dimensin caracterstica de la seccin transversal, hace las funciones del dimetro en tuberas, se obtiene de la siguiente relacin:

1.1.3. CLASIFICACIN DEL FLUJO EN CANALES ABIERTOS

(A) Flujo permanente1) Flujo uniforme2) Flujo variadoa. Flujo gradualmente variadob. Flujo rpidamente variado

(B) Flujo no permanente1) Flujo uniforme no permanente (raro)2) Flujo no permanente (es decir, flujo variado no permanente)a. Flujo gradualmente variado no permanenteb. Flujo rpidamente variado no permanente

1.1.4. NMERO DE FROUDENmero de Froude y tiene una gran importancia en flujos con velocidades elevadas que ocurren por la accin exclusiva de la fuerza de aceleracin de la gravedad (canales abiertos), como por ejemplo en el flujo turbulento a superficie libre, donde los efectos viscosos son despreciables. Matemticamente, el nmero de Froude es:

Como es posible observar, en el numerador de la expresin anterior se toman en cuenta el efecto de las fuerzas inerciales y, en el denominador, el efecto causado por las fuerzas gravitacionales. A medida que aumenta el nmero de Froude, mayor es la reaccin inercial, si disminuye, entonces es mayor el efecto de la fuerza gravitacional.

De manera general, para caracterizar el flujo con este parmetro tenemos:

1.2. FLUJO PERMANENTE: FLUJO UNIFORMESe dice que el flujo en canales abiertos es uniforme si la profundidad de flujo es la misma en cada seccin del canal. El flujo es uniforme si la profundidad, el rea mojada, la velocidad y el caudal en cada seccin del canal son constantes; la lnea de energa, la superficie del agua y el fondo del canal son paralelos es decir todas sus pendientes son todas iguales, entonces se tiene Las condiciones ligadas al flujo uniforme y permanente se llaman normales. De ah los trminos tirante normal , velocidad normal, pendiente normal, etc.El movimiento del agua es causado nicamente por la accin de la fuerza de gravedad mientras que por otra parte, la friccin que existe entre las paredes del canal y las molculas de agua se opone al flujo.

Para el clculo del flujo uniforme y permanente se emplea la frmula de Robert Manning, expresin derivada de la de Antoine Chezy, para el sistema mtrico decimal tenemos:

Dnde:

II. MATERIALES Y/O EQUIPOS Simulador de canal: Canal de seccin rectangular con paredes transparentes por el que se hace circular agua. El agua se toma del depsito de almacenamiento mediante una bomba hidrulica, con regulacin de velocidad y, por medio de la tubera, es conducida al depsito de entrada, donde dispone de un tranquilizador de flujo. Desde aqu el agua circula por el canal y descarga en el depsito de captacin, retornando finalmente al depsito de almacenamiento, con lo que se completa el circuito cerrado.

Regla metlica

Bomba hidrulica: Las bombas hidrulicas funcionan permitiendo que la presin atmosfrica empuje el lquido en la lnea de entrada desde el depsito. Una vez que el lquido est dentro de la lnea de entrada, llega a la bomba por la accin mecnica de la aspiradora.

Cronmetro: Los cronmetros son relojes mecnicos de alta precisin y son empleados para medir con gran precisin, un tiempo determinado. En este caso se utilizar para medir el caudal de agua en el procedimiento de la experimentacin.

Probeta (Jarra): La probeta es un instrumento que permite medir volmenes superiores. Est formado por un tubo generalmente transparente de unos centmetros de dimetro, y tiene una graduacin (una serie de marcas grabadas) desde 0 ml (hasta el mximo de la probeta) indicando distintos volmenes.

III. PROCEDIMIENTO1) Fijar la seccin de inters de estudio.2) Medir el ancho del canal b.3) En funcin del caudal que se pretende obtener se abre la vlvula el nmero de vueltas necesario (vericar que se parta de la posicin cerrado).4) Se pone en funcionamiento la bomba, dejando pasar alrededor de 2 minutos para que el sistema entre en rgimen y genere un perfil hidrulico uniforme y permanente.5) Medir el tirante que arroja el flujo en dos secciones suficientemente alejadas entre s, una vez que los valores son iguales se habr establecido un rgimen uniforme.6) Medir el caudal partiendo del volumen que se obtiene al ingresar la probeta en la salida del canal (jarra graduada en nuestro caso) y controlando con cronmetro el tiempo en el que este se llena hasta cierto nivel. 7) Determinar la pendiente del canal. Para ello, se debern tomar lecturas y , utilizando un nivel, ubicando la regla metlica en dos secciones extremas del canal, y midiendo la distancia entre ellas. La pendiente viene dada por:

8) Calcular el rea, el permetro mojado, el radio hidrulico y a partir de ellos, el coeficiente de Manning. Para canal rectangular tenemos:

IV. TOMA Y PROCESAMIENTO DE DATOS* El canal es rectangular

CAUDAL N 1: La vlvula semi abierta

N de ObservacionesVolumen (m3)Tiempo (segundos)Caudal (Q) (m3/s)

10.000221.240.0001774

20.000291.680.0001726

30.000362.180.0001651

40.000442.400.0001833

50.000382.180.0001743

60.000392.000.0001950

70.000311.650.0001879

80.000412.060.0001990

90.000522.680.0001940

100.000452.360.0001907

110.000753.760.0001995

120.000592.980.0001980

130.000653.300.0001970

140.000573.000.0001900

150.000552.850.0001930

160.000633.210.0001963

170.000593.080.0001916

N de Obs.Q (m3)Ancho de solera (b) (m)Tirante (y) (m)Pendiente (So)A (m2)P (m)Rni

10.00017740.0250.0170.010.0004250.0590.00720340.0089

20.00017260.0250.0170.010.0004250.0590.00720340.0092

30.00016510.0250.0170.010.0004250.0590.00720340.0096

40.00018330.0250.0170.010.0004250.0590.00720340.0086

50.00017430.0250.0170.010.0004250.0590.00720340.0091

60.00019500.0250.0170.010.0004250.0590.00720340.0081

70.00018790.0250.0170.010.0004250.0590.00720340.0084

80.00019900.0250.0170.010.0004250.0590.00720340.0080

90.00019400.0250.0170.010.0004250.0590.00720340.0082

100.00019070.0250.0170.010.0004250.0590.00720340.0083

110.00019950.0250.0170.010.0004250.0590.00720340.0079

120.00019800.0250.0170.010.0004250.0590.00720340.0080

130.00019700.0250.0170.010.0004250.0590.00720340.0080

140.00019000.0250.0170.010.0004250.0590.00720340.0083

150.00019300.0250.0170.010.0004250.0590.00720340.0082

160.00019630.0250.0170.010.0004250.0590.00720340.0081

170.00019160.0250.0170.010.0004250.0590.00720340.0083

n promedio0.0084

CAUDAL N 2: La vlvula abierta

N de ObservacionesVolumen (m3)Tiempo (segundos)Caudal (Q) (m3/s)

10.00061.150.0005217

20.000711.380.0005145

30.00081.430.0005594

40.000651.320.0004924

50.000851.420.0005986

60.000731.300.0005615

70.000791.350.0005852

80.000741.320.0005606

90.000751.470.0005102

100.000851.520.0005592

110.000781.310.0005954

120.000761.300.0005846

130.000721.230.0005854

140.00081.350.0005926

150.00081.360.0005882

160.000881.500.0005867

170.000841.410.0005957

N de Obs.Q (m3)Ancho de solera (b) (m)Tirante (y) (m)Pendiente (So)A (m2)P (m)Rni

10.00052170.0250.0340.010.000850.0930.00913980.0071

20.00051450.0250.0340.010.000850.0930.00913980.0072

30.00055940.0250.0340.010.000850.0930.00913980.0066

40.00049240.0250.0340.010.000850.0930.00913980.0075

50.00059860.0250.0340.010.000850.0930.00913980.0062

60.00056150.0250.0340.010.000850.0930.00913980.0066

70.00058520.0250.0340.010.000850.0930.00913980.0063

80.00056060.0250.0340.010.000850.0930.00913980.0066

90.00051020.0250.0340.010.000850.0930.00913980.0073

100.00055920.0250.0340.010.000850.0930.00913980.0066

110.00059540.0250.0340.010.000850.0930.00913980.0062

120.00058460.0250.0340.010.000850.0930.00913980.0064

130.00058540.0250.0340.010.000850.0930.00913980.0063

140.00059260.0250.0340.010.000850.0930.00913980.0063

150.00058820.0250.0340.010.000850.0930.00913980.0063

160.00058670.0250.0340.010.000850.0930.00913980.0063

170.00059570.0250.0340.010.000850.0930.00913980.0062

n promedio0.0066

CAUDAL N 3: La vlvula completamente abierta

N de ObservacionesVolumen (m3)Tiempo (segundos)Caudal (Q) (m3/s)

10.000450.710.0006338

20.00060.950.0006316

30.000791.220.0006475

40.000821.240.0006613

50.000841.440.0005833

60.000540.790.0006835

70.000751.110.0006757

80.0011.510.0006623

90.000951.470.0006463

100.000751.070.0007009

110.000731.110.0006577

120.000630.950.0006632

130.000771.130.0006814

140.000891.350.0006593

150.00081.180.0006780

N de Obs.Q (m3)Ancho de solera (b) (m)Tirante (y) (m)Pendiente (So)A (m2)P (m)Rni

10.00063380.0250.0390.010.0009750.1030.0094660.0069

20.00063160.0250.0390.010.0009750.1030.0094660.0069

30.00064750.0250.0390.010.0009750.1030.0094660.0067

40.00066130.0250.0390.010.0009750.1030.0094660.0066

50.00058330.0250.0390.010.0009750.1030.0094660.0075

60.00068350.0250.0390.010.0009750.1030.0094660.0064

70.00067570.0250.0390.010.0009750.1030.0094660.0065

80.00066230.0250.0390.010.0009750.1030.0094660.0066

90.00064630.0250.0390.010.0009750.1030.0094660.0068

100.00070090.0250.0390.010.0009750.1030.0094660.0062

110.00065770.0250.0390.010.0009750.1030.0094660.0066

120.00066320.0250.0390.010.0009750.1030.0094660.0066

130.00068140.0250.0390.010.0009750.1030.0094660.0064

140.00065930.0250.0390.010.0009750.1030.0094660.0066

150.00067800.0250.0390.010.0009750.1030.0094660.0064

n promedio0.0066

V. RESULTADOSEntonces: n10.0084

n20.0066

n30.0066

n promedio total0.0072

Tirante (y) (m)Ancho de solera (b) (m)n Pendiente (So)A (m2)P (m)RQ (m3/s)

10.0170.0250.00720.010.0004250.0590.007200.000220

20.0340.0250.00720.010.0008500.0930.009140.000515

30.0390.0250.00720.010.0009750.1030.009470.000605

Q (m3/s)Velocidad (m2/s)Nmero de FroudeTirante critico (yn)Energa Mnima

10.0002200.51761.270.01990.0336

20.0005150.60591.050.03510.0538

30.0006050.62051.000.03910.0587

CONCLUSIONES

En un flujo uniforme las lneas de corriente son paralelas a la solera, a la superficie libre del agua y a la lnea de energa.

El flujo uniforme, para cualquier propsito prctico, tambin es permanente ya que el flujo impermanente y uniforme no existe en la naturaleza.

De acuerdo al nmero de Froude los flujos obtenidos se caracterizan:

La rugosidad que se obtuvo para el acrlico es de 0.0072.

BIBLIOGRAFA

Chow, V. T. (2004). Hidrulica de canales abiertos. Estados del flujo en un canal. (s.f.). Obtenido de http://www.uaemex.mx/pestud/licenciaturas/civil/hidraulica1/Pr%E1ctica%20HI%205.pdfFlujo uniforme en canales abiertos. (s.f.). Obtenido de http://www.uaemex.mx/pestud/licenciaturas/civil/hidraulica2/Pr%E1ctica%201%20HII.pdfGarca Prats, A. (s.f.). Hidrulica prcticas de laboratorio. Gua de trabajos prcticos - Laboratorio de hidrulica. (s.f.). Obtenido de http://www.edutecne.utn.edu.ar/guias_de_estudio/gtp_lab_hidraulica.pdfVilln Bjar, M. (2007). Hidrulica de canales (Segunda ed.). Per: Villn.

ANEXOS(Imgenes del Laboratorio)

MECNICA DE FLUIDOS II5