Manual Hidraulica Cap5 p3

Ing. David

Hernndez Huramo

Laboratorio

de Hidrulica

Manual de prcticas

5 o s e m e s t r e

H i d r u l i c a d ec a n a l e s I

Guillermo Benjamn Prez MoralesJess Alberto Rodrguez CastroJess Martn Caballero UlajeJorge Leonel Angel HurtadoJuan Pablo Molina Aguilar

Alejandro Ral Gutirrez ObregnElizabeth Pauline Carreo AlvaradoHctor Rivas HernndezRukmini Espinosa Daz

Autores:

Colaboradores:

Laboratorio de Hidrulica Ing. David Hernndez Hueramo

Manual de Prcticas de Laboratorio Hidrulica de canales 5to Semestre

1

3. ENERGA ESPECFICA Y RGIMEN CRTICO

Objetivos

El alumno comprender los conceptos que se representan en la curva de energa especfica mediante su graficacin auxiliada en datos de laboratorio, lo que le permitir

resolver problemas del movimiento de una masa lquida en un conducto abierto.

Aplicacin En el diseo de conductos abiertos como son los canales es importante definir la energa

especfica que presenta el flujo en una determinada seccin, ya que esto nos permite definir

la capacidad para desarrollar un trabajo, as mismo la determinacin del tirante crtico tiene

una aplicacin directa en la definicin del tipo de rgimen que presenta un determinado

escurrimiento, ya que si el tirante con que fluye un determinado caudal es menor que el

tirante crtico, se sabe que el escurrimiento es en rgimen supercrtico (rpido) y si es mayor

que el crtico entonces el escurrimiento es en rgimen subcrtico (lento).

Definiciones, frmulas y unidades a utilizar

Energa Total (H). La energa total en una seccin cualquiera de un flujo se expresa por

medio de la suma de las energas de posicin y cintica, es decir:

g

VPzEEH cinticaposicin 2

2

+

+=+= 3.1

Energa Especifica (E). Se define como la energa por unidad de peso (kgkgm

), que al

considerar la plantilla del conducto como plano de referencia (z = 0) se tiene:

g

VyE2

2

+= 3.2

ya que la carga de presin en la plantilla debido al tirante de agua y es p / , (figura 3.1)



2

Considerando la ecuacin de continuidad ( AVQ = ), se tiene la siguiente ecuacin para la energa especfica:

22

2gAQyE += 3.3

FIGURA 3.1

Energa mnima (Emin). Es la energa mnima o crtica con que un cierto gasto puede fluir en

un canal y es el lmite entre el flujo subcrtico y supercrtico, tal como se puede apreciar en

la figura anterior. Para calcular la energa mnima derivamos la ecuacin de la energa:

=

+=

+=

dydA

gAQ

dydA

AgQ

dydA

AgQ

dydy

dydE

3

2

3

2

2

2

122

112

3.4

En la figura 3.1 de la seccin transversal se deduce que:

BdydA = 3.5 Entonces, se tiene que la ecuacin que permite calcular la energa mnima o condicin crtica

es:

01 32

== BgAQ

dydE

3.6



3

BA

gQ 32 = 3.7

Y, para una seccin rectangular, en la cual bB = y byA = , el tirante crtico (yc) se puede obtener como:

( )32 2

32

cc

b yQ Qyg b g b

= = 3.8

La energa mnima para una seccin rectangular se puede calcular por medio de la siguiente

ecuacin:

( ) 23

2 2

2 232

2

2

mincc

cc

cc

cc

yyyybg

gybyAg

QyE =+=+=+= 3.9

En las frmulas anteriores se tiene que:

= peso especfico del agua (kg/m3). P = presin (kg/m2) V = velocidad del flujo (m/s). g = aceleracin de la gravedad (9.81 m/s2). Q = gasto (m3/s). A = rea del conducto (m2). B = ancho de la superficie libre del agua (m). b = ancho de la plantilla del canal (m).

Procedimiento 1. En el canal de pendiente variable se mide el ancho de la plantilla, aproximadamente se

pone el canal con una pendiente nula (horizontal) y se hace pasar un cierto gasto, el cual se debe de calcular (posterior a la realizacin de la prctica), por medio de la medicin de la carga sobre el vertedor Rehbock instalado al final del canal de retorno (investigar la frmula como una actividad adicional).

2. Una vez que se establece el flujo, se mide en dos secciones del canal, previamente determinadas, los tirantes de agua que se presentan consignando los datos en la tabla 3.1.

3. Se incrementa lentamente la pendiente del canal y se miden los tirantes en el canal, consignando las lecturas obtenidas en la tabla 3.1, repitiendo lo mismo para al menos 5 pendientes diferentes.

4. Se regresa el canal a pendiente nula y se cambia el gasto por medio de la vlvula de control, procediendo a repetir los pasos desde el punto 1, por lo menos para 2 gastos ms diferentes, consignando los resultados en la tabla 3.1.



4

Actividades

1. Construir las grficas de la ecuacin de la energa con los datos obtenidos de la prctica para los tres caudales medidos (tirante en el eje de las ordenadas).

2. Obtener la energa especifica mnima que corresponde al tirante crtico y el valor de ste ltimo.

3. Analizar las grficas de la energa y explicar porqu cambian entre ellas y de que depende la curva de la energa.

4. Explicar si sucedera lo mismo si el canal fuera trapecial.

TABLA 3.1 b = __________ m.

Tirante en el vertedor Rehbock: ________ (m) Gasto 1:_____________ (m3/s)

(1) N de

ensayo Seccin 1 Seccin 2

(2) Tirante

y1 (m)

(3) rea

A1 (m2)

(4) Velocidad

V1 (m/s)

(5) Energa

Especifica E1 (m)

(6) Tirante

y2 (m)

(7) rea

A2 (m2)

(8) Velocidad

V2 (m/s)

(9) Energa

Especifica E2 (m)

1

2

3

4

5

Nombre del alumno: . Semestre: Seccin: N de equipo: Laboratorista: .



5

TABLA 3.1 (continuacin) b = __________ m.


(1) N de


(2) Tirante

y1 (m)

(3) rea

A1 (m2)

(4) Velocidad

V1 (m/s)

(5) Energa

Especifica E1 (m)

(6) Tirante

y2 (m)

(7) rea

A2 (m2)

(8) Velocidad

V2 (m/s)

(9) Energa

Especifica E2 (m)

1

2

3

4

5

b = __________ m.


(1) N de


(2) Tirante

y1 (m)

(3) rea

A1 (m2)

(4) Velocidad

V1 (m/s)

(5) Energa

Especifica E1 (m)

(6) Tirante

y2 (m)

(7) rea

A2 (m2)

(8) Velocidad

V2 (m/s)

(9) Energa

Especifica E2 (m)

1

2

3

4

5

Nombre del alumno: . Semestre: Seccin: N de equipo: Laboratorista: .

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