Trabajo de Mecanica de Fluidos

5/21/2018 Trabajo de Mecanica de Fluidos

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F CULT D DE INGENIERI DE MIN S GEOLOGI

Y MET LURGI

ESCUEL PROFESION L DE INGENIERI DE MIN S

MTODOS DE AFORO EN CAUSES ABIERTOS

PRESENTADA EN MECNICA DE FLUDOS

DOCENTE:Ing. BAYONA ANTUNEZ REMO

ALUMNO: PACHAS CHAVEZ YUBER ISAAS.

HUARAZ, 13 DE NOVIEMBRE DEL 2013


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INTRODUCCION

El caudal es la cantidad de agua que fluye por unidad de tiempo por un conducto

abierto o cerrado como un ro, riachuelo, acequia, una canal o una tubera.

La hidrometra permite medir determinar el caudal del agua que fluye sobre

alguna de estas estructuras donde ejemplos aplicados a esto podran verse en la

entrada o salida de agua en una planta de tratamiento, la que se consume en una

ciudad, industria, etc.

Es de suma importancia conocer el caudal que fluye por una determinada fuente

ya que ese caudal flucta segn las pocas del ao y las condiciones

meteorolgicas


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OBJETIVOS

Conceptualizar y entender en que consisten los mtodos de medicin de un

caudal para luego aplicar en nuestra carrera de Ingeniera de Minas, como

tambin en la vida diaria.

MARCO TERICO

CAUDAL

El caudal corresponde a una cantidad de agua que pasa por un lugar (canal,

tubera, entre otros) en una cierta cantidad de tiempo, o sea, corresponde a un

volumen de agua (Litros, Metros Cbicos, etc.), por unidad de tiempo (Segundos,

Minutos. Horas, etc.).Es la cuantificacin del caudal de agua que pasa por la seccin transversal de un

conducto (ro, riachuelo, canal, tubera) de agua; tambin se le conoce como aforo

caudal de agua. Para cuantificar el caudal de agua se puede utilizar la siguiente

frmula:

Q = A x V (1)

Donde:

Q = Caudal o Gasto (m3/s)

A = rea de la seccin transversal (m2)

V = Velocidad media del agua en la seccin hidrulica (m/s)

1. METODOS DE AFORO EN CAUSES ABIERTOS

1.1. IMPORTANCIA

La funcin principal de la hidrometra es proveer de datos oportunos y veraces

que, una vez procesados, proporcionen informacin adecuada para lograr unamayor eficiencia en la programacin, ejecucin y evaluacin del manejo del agua

en un sistema hidrulico. A su vez, el uso de una informacin ordenada nos

permite:


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a. Dotar de informacin para el ajuste del pronstico de la disponibilidad de agua.

Mediante el anlisis estadstico de los registros histricos de caudales de la fuente

(ro, aguas subterrneas, etc.), nos es posible conocer los volmenes probables

de agua que podemos disponer durante los meses de duracin de la campaa

agrcola. Esta informacin resulta de suma importancia para la elaboracin del

balance hdrico, la planificacin de siembras y el plan de distribucin del agua de

riego.

b. Monitorear la ejecucin de la distribucin. La hidrometra proporciona los

resultados que nos permiten conocer la cantidad, calidad y la oportunidad de

los riegos, estableciendo si los caudales previstos en el plan de distribucin

son los realmente entregados y, sobre esta base, decidir la modificacin delplan de distribucin, en el caso de que as sea necesario.

c. Adems de las utilidades anteriormente expresadas, la hidrometra nos sirve

para determinar la eficiencia en el sistema de riego y, eventualmente, como

informacin de apoyo para la solucin de los conflictos que puedan

presentarse entre las partes implicadas (usuarios, Administracin,...).

2. MEDICIN DEL CAUDAL DEL AGUA

2.1. MTODOS DE MEDICIN

Para efectuar mediciones en las corrientes lquidas se utilizan, en ingeniera,

una gran variedad de dispositivos. A continuacin, vamos a contemplar

aquellos mtodos de medida cuyo uso resulta ms generalizado en la

prctica. Conviene advertir que para el uso correcto de los instrumentos de

medida es preciso previamente conocer sus caractersticas y coeficientes,siendo necesario, en la mayora de los casos, realizar el calibrado de los

mismos de acuerdo con las aplicaciones del proceso .

Los mtodos de aforo ms utilizados, amn del empleo de los clsicos tubos

de Pitot-Darcy y Venturi, que no se detallarn, son los siguientes:


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Velocidad y seccin mojada.

Mtodo volumtrico.

Mtodo del flotador.

Mtodo de la trayectoria

Mtodo qumico.

Mtodo combinado. Calibracin de compuertas.

2.1.1. Velocidad y seccin mojada

Los mtodos de aforo basados en este mtodo son los ms empleados; se

requiere medir el rea de la seccin transversal del flujo de agua y la velocidad

media de este flujo. Se emplea la expresin:

Q = A x v ,

Donde:

Q es el caudal del agua.

A es el rea de la seccin transversal del flujo de agua.

v es la velocidad media del agua.

Generalmente, en el caso de los caudales ecolgicos, el caudal Q se expresa

en litros por segundo (L/s.) o bien en metros cbicos por segundo (m3/s). En la

ecuacin anterior, si Q el caudal se expresa en m3/s, A se expresa en m2 y v

en m/s, V se expresa en m3 y T, que es el tiempo, viene expresado en

segundos.

Es fcil convertir m3/s a L/s, sabiendo que 1 m3 equivale a 1.000 litros. La

abreviatura L/s, se puede expresar tambin como LPS (litros por segundo).

El problema principal es medir la velocidad media en los ros o cauces

naturales, ya que la velocidad vara en los diferentes puntos del interior de una


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masa de agua. Los mtodos ms conocidos de aforos de agua son los

siguientes:

a. Mtodo del correntmetro o molinete.

b. Mtodo del flotador.

c. Mtodo usando dispositivos especiales, tales como: vertederos y canaletas

(Parshall, trapezoidal, sin cuello, orificio, etc.).

d. Otros.

Para la medicin del agua circulante por un cauce natural, pues, existen varios

mtodos, siendo los ms utilizados el mtodo del correntmetro y el mtodo del

flotador. Vemoslos a continuacin:

2.1.2 Mtodo volumtrico.

Permite medir pequeos caudales, como los que escurren en surcos de riego,

pequeas acequias o tuberas.

El mtodo requiere de:

Depsito (balde o tambor) de volumen conocido en el cual se colecta el

agua,

Cronmetro para medir el tiempo de llenado del depsito

Repetir 2 3 veces el procedimiento y promediar para asegurar mayor

exactitud.

Metodologa

El procedimiento de clculo consiste en dividir el volumen de agua recogido en

el depsito por el tiempo (en segundos) que demor en llenarse. El resultado


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expresa el caudal medido en litros por segundo.

Figura 1. Mtodo volumtrico

Ejemplo: Volumen del balde: 20 litros.

Tiempo que demor en llenarse: 10 seg.

Caudal = Una adaptacin de este sistema puede emplearse para medir caudal desde un

tubera matriz, para ello se construye un elevador con dos trozos de tubera de

PVC (1,5 m y 0,6 m de largo), un codo de 90, una T y un tapa gorro. El

dimetro de las piezas debe coincidir con el de la matriz a aforar. Foto 1 y 2.


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Fotografa1. (A) Materiales de elevador; (B) Elevador terminado.

2.1.3. Mtodo del flotador.

Este mtodo relaciona el rea de la seccin que conduce agua y la velocidad

de escurrimiento. Se utiliza en canales y acequias y da slo una medida

aproximada de los caudales, siendo necesario el uso de otros mtodos cuando

se requiere mayor precisin.

La metodologa es la siguiente:

Se elige un tramo del canal que sea recto y de seccin transversal

uniforme, entre 10 y 30 metros de largo, donde el agua escurra libremente.

Figura 1.

Para determinar la velocidad que lleva el agua en esa seccin, se marca en

el terreno la longitud elegida y se toma el tiempo que demora un flotador enrecorrerla.

Como flotador se puede usar cualquier objeto que sea capaz de

permanecer suspendido en el agua, como un trozo de madera, corcho u

otro material similar, que no ofrezca gran resistencia al contacto con el aire

y que se deje arrastrar fcilmente por la corriente de agua.


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Determinacin de velocidad. Se divide la longitud del tramo por el tiempo

que tarda el flotador en recorrerla.

Figura 2. Tramo de acquia o canal.

Ejemplo de clculo de velocidad

Longitud del tramo: 10 m; tiempo que demora el recorrido del flotador: 55

segundos.

Por lo tanto la velocidad es V= 10 m/55 seg = 0,18 m/s

Un segundo aspecto de este mtodo considera la determinacin de la seccin o

rea de escurrimiento del canal o acequia. Para ello se usa un listn marcado

cada 5 cm (d), (esta distancia depende del ancho de la acequia) y una varilla con

la cual se mide la profundidad del agua (h) cada 5 cm a lo ancho del cauce,

Figura 3.


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Figura 3. Perfil de profundidades en la seccin.

La seccin se determina mediante la semisuma de dos profundidades contiguas,

(descontando la distancia entre el listn y el espejo de agua) y multiplicadas por el

ancho o separacin entre cada medicin, en este caso un valor fijo (d). Los datos

se ordenan en una tabla de las siguientes caractersticas:

Punto

Distancia entre

l is tn y fondo

de acequia

(cm)

Distancia

entre l istn

y superf ic ie

del agua

(cm)

Profundida

d efectiva

(cm)

Promedio de

profundidad

es (h0 +h1)/2

(cm)

Promedio

de

profundida

des

mult ipl icad

o por d

d*(h0+h1)/2

(cm)

0 0 0 05 25 5 20 10 50

10 30 5 25 22,5 112,5

15 32 5 27 26 130

20 30 5 25 26 130


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25 28 5 23 24 120

30 25 5 20 21,5 107,5

35 0 0 10 50

Superficie total (cm2) 700

Se procede ahora a determinar el caudal mediante la multiplicacin del rea de la

seccin, la velocidad de escurrimiento y un factor de correccin que incluye

ajustes en la velocidad del agua y cambio de unidades de medida. El resultado es

expresado en l/s, como se indica en la siguiente expresin:

Q=A*V*0,08

Donde:

Q= caudal (l/s); A= rea de seccin (cm2); V= velocidad del flujo (m/s)

Ejemplo:

Datos: V= 0,18 m/s; A = 700 cm2

Entonces:

Q = 700 cm2 * 0,18 m/s * 0,08

Q = 5,6 l/s

2.1.4 Mtodo de la trayectoria

Este mtodo es de gran utilidad para el aforo de tuberas o de caudales

proporcionados por bombas de riego. La energa del agua que fluye por una

tubera se manifiesta por la trayectoria que describe al salir por su extremo

libre. La trayectoria tiene dos componentes X e Y, con ellos es posible obtener

una aproximacin aceptable cuando se usa en forma adecuada. La ventaja que

presenta es su fcil y rpida operacin, como se indica en la Figura 4.


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Figura 4. Mtodo de la trayectoria.

Metodologa:

El material que se utiliza es tubera, soportes, nivel de carpintero y una

escuadra, cuya forma se indica en la figura (tubera a nivel).

La medicin se realiza desplazando la regla hasta que el extremo inferior

(mango) roce el chorro de agua que sale del tubo.

El lado X de la regla debe quedar paralelo y apoyado en dicho tubo, para

medir as la distancia horizontal que hay desde el punto donde el chorro

toca la regla, a la boca de salida de la tubera.

Se registran los valores de x e y de varias mediciones y se promedian.

Cabe considerar dos posibilidades en este mtodo, tubera llena o

parcialmente llena, que se detallan a continuacin:

Tubera totalmente llena.

Datos de terreno:

D = Dimetro de la tubera (mm): 50 Pvc clase 6

X = Trayectoria horizontal (cm):20

Y = Trayectoria vertical (cm):15


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= 0,258

La siguiente tabla muestra como ordenar los datos para calcular el caudal

respectivo:

Y cm. Y cm. Y cm. Y cm.

1 1 26 0,196 51 0,140 76 0,1152 0,707 27 0,192 52 0,139 77 0,1143 0,577 28 0,189 53 0,137 78 0,1134 0,500 29 0,186 54 0,136 79 0,1135 0,447 30 0,183 55 0,135 80 0,112

6 0,408 31 0,180 56 0,134 81 0,1117 0,378 32 0,177 57 0,132 82 0,1108 0,354 33 0,174 58 0,131 83 0,1109 0,333 34 0,171 59 0,130 84 0,10910 0,316 35 0,169 60 0,129 85 0,10811 0,302 36 0,167 61 0,128 86 0,10812 0,289 37 0,164 62 0,127 87 0,10713 0,277 38 0,162 63 0,126 88 0,10714 0,267 39 0,160 64 0,125 89 0,10615 0,258 40 0,158 65 0,124 90 0,105

16 0,250 41 0,156 66 0,123 91 0,10517 0,243 42 0,154 67 0,122 92 0,10418 0,236 43 0,152 68 0,121 93 0,10419 0,229 44 0,151 69 0,120 94 0,10320 0,224 45 0,149 70 0,120 95 0,10321 0,218 46 0,147 71 0,119 96 0,10222 0,213 47 0,146 72 0,118 97 0,10223 0,209 48 0,144 73 0,117 98 0,10124 0,204 49 0,143 74 0,116 99 0,10125 0,200 50 0,141 75 0,115 100 0,100


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Valor de X(1)

(2)

Dimetro Xdimetro (mm)

(3)Constante

(4)Caudal (l/s)(1*2*3*4)

20 0,258 25000 0,00017386 2,2

2.1.5. MTODO QUMICO.

Consiste en hallar el caudal introduciendo en proporcin conocida una

sustancia qumica en el agua de la corriente y determinando la cantidad de

dicha sustancia que contiene est en una seccin situada suficientemente

lejos aguas abajo para asegurar su mezcla perfecta con el agua. La salcomn es la sustancia empleada comnmente. Por conveniencia se disuelve

la sal en agua antes de introducirla en la corriente. Representamos por Q el

caudal en metros cbicos por segundo. Si se introducen w kilogramos por

segundo de sal despus de tener una mezcla perfecta se toma una muestra

de la corriente y esta indica que 1 kilogramo de agua contiene n kilogramos

de sal, adems de la sal que contiene el agua natural, La formula anterior

no es de fcil aplicacin, debido a la dificultad de determinar n con exactitud.

Se describi el mtodo de los tres grupos de muestras que siguen:

1) El agua de la corriente dosificada, es decir, el agua de la corriente

despus de introducir la sal y de que esta se ha mezclado

perfectamente con dicha agua.

2) la muestra de la solucin de sal; es decir, la salmuera que se prepara

para introducirla en la corriente.

3) la disolucin espacial; es decir, la mezcla de la solucin salina con el

agua de la corriente natural, preparada en el laboratorio.

Por este mtodo no es necesario analizar el agua de la corriente, ya que el

efecto de la sal que contiene es eliminado en los clculos.


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Es conveniente tener la salmuera que ha de introducirse en el agua lo ms

concentrado posible para reducir el tamao del tanque mezclador. No se

aconseja una solucin saturada debido a la tendencia de la sal a cristalizarse

en los bordes del tanque, pero una solucin de 260Kg de sal por metro

cbico de agua ser satisfactoria.

La solucin de sal debe agregarse a la corriente en proporcin tal que

aumente el contenido de sal de sta a lo menos en 0.05Kg por metro cbico

y bajo ninguna circunstancia debe exceder el contenido inicial de sal de 25

por ciento de contenido de sal de agua dosificada.

Para conseguir la mxima exactitud al hacer las pruebas qumicas, debe

usarse el mtodo de evaporaciones de equilibrado. Esto requiere que lasmuestras del agua de la corriente dosificada y de la disolucin especial sean

evaporadas, y la de la solucin de sal diluida, hasta que cada una contenga,

tan aproximadamente como pueda estimarse, la misma cantidad de sal. Se

toman muestras de 500 centmetros cbicos del agua de la corriente

dosificada y de la disolucin especial, y se evaporan hasta que su volumen

sea de unos 10 centmetros cbicos. Luego se obtendr por dilucin una

muestra de 10cm3 de la solucin de sal que contenga aproximadamente lamisma cantidad de sal que las muestras anteriores.

En general ser necesario investigar anticipadamente el lugar apropiado

para tomar muestras del agua de la corriente dosificada y el intervalo de

tiempo necesario entre la iniciacin de la dosificacin y el de muestreo.

Parker da las siguientes recomendaciones:

Representemos por v la velocidad media de la corriente, y por b su ancho.

Entonces para las corrientes con profundidad comprendidas entre 1/10b y

1/3b, la mezcla completa no tendr lugar hasta que una distancia a lo menos

de 6b haya sido recorrida y la descarga de la solucin haya continuado

durante 24b/v segundos por lo menos. Es evidente que el aforo por el


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mtodo qumico es ms adecuado para aguas turbulentas y es dudoso que

se pueda aplicar satisfactoriamente a corrientes lentas.

2.1.6. MTODO DEL CORRENTMETRO.

En este mtodo la velocidad del agua se mide por medio de un instrumento

llamado correntmetro que mide la velocidad en un punto dado de la masa

de agua. Existen varios tipos de correntmetros, siendo los mas empleados

los de hlice de los cuales hay de varios tamaos; cuando ms grandes

sean los caudales o ms altas sean las velocidades, mayor debe ser el

tamao del aparato. Cada correntmetro debe tener un certificado de

calibracin en el que figura la formula para calcular la velocidad sabiendo l

numero de vueltas o revoluciones de la hlice por segundo.El mtodo del correntmetro o del molinete hidrulico.

Esta constituido por una rueda con aspas que gira al ser sumergido en una

corriente de agua. Pueden ser de dos formas:

Molinete de cazoletas

Molinete de hlices

Para medir la velocidad de una corriente lo recomendable es instalar el

molinete debajo del espejo de agua a 0.6m del tirante medido desde lasuperficie.

El principio radica en el nmero de revoluciones por unidad de tiempo

En algunos casos el instrumento viene con una ecuacin en funciona la

velocidad:

V= a+bN , donde N es el numero de revoluciones.

Los ms actuales nos indican directamente la velocidad.

METODOLOGIA

1) Similar al mtodo del flotador, con la diferencia de que no se utilizarn

boyas para determinar la velocidad, sino que por medio del instrumento

correntmetro se medir la velocidad instantneamente en los diferentes

puntos del tramo del canal en estudio.


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2) El correntmetro se deber sumergir aproximadamente el 60% de la

profundidad del canal.

3) Longitudinalmente, las medidas se realizarn tanto en el inicio, en el

centro como en el final del tramo del canal en estudio. Y

Transversalmente, las medidas se realizarn en el punto medio de las

partes en que se ha dividido el espejo de agua del canal. As como se ve

en la figura.


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CONCLUSIONES

Con el mtodo del correntmetro se pueden obtener mediciones

instantneas y ms reales, que en el mtodo del flotador. Asimismo, segnla experiencia, se concluye que el mtodo del correntmetro es mucho ms

prctico que el mtodo de los flotadores, dado que el tiempo que demanda

la determinacin del caudal con el primero es menor que el empleado con

el segundo.

Otras razones para no usar el correntmetro son cuando existe una

excesiva velocidad del agua, presencia de muchos cuerpos extraos,

cuando peligra el operador, o corre riesgo de dao el correntmetro.

Para usar el mtodo de los flotadores necesitamos que la zona donde

vamos a medir sea recta para poder calcular las reas de manera ms

exacta, as tambin recomendamos la mayor cantidad de flotadores para

tener una mayor proporcin de datos


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BIBLIOGRAFIA

CHOW, Ven Te; Hidrologa aplicada. Mc Graw Hill. Colombia, 1994.

Abelardo Villavicencio P. (Ingeniero Agrnomo), Mg.Sc. AlexisVillablanca F. (Ingeniero Agrnomo), INIA, INFORMATIVO N 50, ABRIL2010

MONSALVE, Germn; Hidrologa en la Ingeniera.

http://www.cvc.gov.co/web_cvc/Mosaic/dpdf2/volumen13/1-MPpag1-165.pdf

http://sisbib.unmsm.edu.pe/bibvirtualdata/Tesis/Ingenie/Vera_H_L/Cap3.pdf

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