INFORME DE LABORATORIO DE CANALES

Presentador por:

JONATHAN TOVAR 1425253-3747LUIS ALBERTO LOPEZ 1231150-3747

SANDRA LORENA IBARGUEN 1323355-3747TATIANA TORO DELGADO 1329038-3747

Presentado a:

CARLOS ALBERTO RAMIREZ

SANTIAGO DE CALI

UNIVERSIDAD DEL VALLE

HIDRAULICA

2016

TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCION 2. OBJETIVOS3. EQUIPO UTILIZADO4. METODOLOGIA5. CALCULOS Y ANALISIS DE RESULTADOS6. CONCLUSIONES7. BIBLIOGRAFIA8. ANEXOS

1. INTRODUCCION

Los canales son conducciones naturales y artificiales en las que el agua circula debido a la acción de la gravedad, sin presión, es decir, en contacto continuo con la atmósfera. No se produce gasto energético.

Los canales naturales son aquellos que fueron creados en por naturaleza en sus procesos geológicos, ejemplo de este tipo de canales son los ríos, los estrechos, los arroyos, las quebradas, estuarios, etc. Las características generales de un canal natural, tales como la rugosidad, la pendiente y la sección transversal varían a lo largo del flujo y por ello se clasifican como canales no prismáticos.

Los canales artificiales son aquellos que son diseñados y construidos por el ser humano, éste tipo de canales son creados para funciones específicas lo que permite clasificarlos según su función en: canales de desviación de centrales hidroeléctricas, canales de riego, canales de drenaje urbano, canales de captación de plantas de tratamiento, cunetas de desagüe de las vías, etc. Los canales artificiales también se pueden clasificar según su revestimiento, de acuerdo a lo anterior pueden ser revestidos y no revestidos; los canales revestidos son aquellos cuyas paredes y fondo son protegidos con un material resistente a fin de evitar la erosión producida por los esfuerzos cortantes que genera el flujo, por otra parte, los canales artificiales no revestidos son aquellos que no reciben un tratamiento en su zona excavada.

Se cebe establecer controles que permitan conocer las características del canal tales como su caudal, tirante, tipo de flujo etc. Estos conocimientos previos permiten saber dónde se deben colocar los controles para el manejo de flujo que se desea obtener.

En el presente informe se analizara el comportamiento de un flujo de agua en un canal rectangular, en el cual se modificaran los diferentes factores que actúan en este, como la pendiente y distintos tipos de controles a causa de estas variaciones y controles, ya que el flujo se comporta de manera diferente. Para evidenciar esto es necesario realizar los cálculos pertinentes y posteriormente comparar los datos obtenidos. En este laboratorio se manejaron tres tipos de materiales de aforos para conocer el caudal del flujo en estudio, los tipos de aforo utilizados fueron: aforo con flotador, volumétrico y con molinete.

2. OBJETIVOS

Objetivo general

Realizar un procedimiento experimental que permita conocer y analizar el comportamiento de un flujo en un canal artificial prismático, debido a distintas variaciones de tipos de control y pendientes.

Objetivos específicos

Practicar el procedimiento a seguir cuando se realiza un aforo que permita conocer el caudal de un flujo ya sea por molinete, volumétrico o con flotador.

Visualizar el flujo e identificar el régimen que lo caracteriza, debido a la ubicación de los controles. (supercrítico, crítico y subcrítico).

Clasificar el flujo debido a las relaciones que este presenta entre las fuerzas inerciales y las fuerzas gravitacionales (Número de Froude).

Realizar cálculos experimentales de caudales en un caudal por medio de diferentes métodos de aforo.

3. EQUIPO UTILIZADO.

C4MKII CANAL HIDRÁULICO MULTIPROPÓSITO: un canal abierto de 76 mm de ancho y 250 mm de alto para el Banco Hidráulico de Servicios Comunes F1-10 de 5m de longitud, paredes acrílicas transparentes para una perfecta visibilidad de la sección de trabajo. Con gato mecánico que permite regular la pendiente del lecho entre -1% y +3%, tanque de entrada de agua con dispositivo estabilizador de flujo, con perfil de Venturi, vertederos cortos y largos, compuerta con descarga inferior ajustable y dos medidores de nivel con Vernier.

VERTEDERO PARSHALL: Se compone de una sección convergente o de contracción, una sección constreñida o garganta, sección divergente o de expansión. La anchura de la garganta (w), se emplea para señalar el tamaño del aforador. El gasto en la estructura puede ocurrir bajo dos diferentes condiciones: Sin sumergencia (Flujo Libre) y elevación corriente abajo, que tiene una altura suficiente para retardar el índice de descarga (Flujo Sumergido). Por lo anterior se dispone de dos medidores de profundidad (Ha y Hb). Calibrados colocando el punto 0 en la medida de la cresta del canal.

CALIBRADOR O PIE E REY: El calibre, también denominado calibrador, cartabón de corredera, pie de rey, pie de metro, forcípula (para medir árboles) o Vernier, es un aparato destinado a la medida de pequeñas longitudes y espesores, profundidades y diámetros interiores de piezas mecánicas y otros objetos pequeños. Suele medir en centímetros y en fracciones de milímetros (1/10 de milímetro, 1/20 de milímetro, 1/50 de milímetro). En la escala de las pulgadas tiene divisiones equivalentes a 1/16 de pulgada, y, en su nonio, de 1/128 de pulgada.

COMPUERTA: Son dispositivos que se pueden utilizar para varios propósitos, que son regular las descargas o los niveles de agua.

CRONOMETRO: Reloj de gran precisión que permite medir intervalos de tiempo muy pequeños, hasta fracciones de segundo.

FLOTADORES: Es una pieza en forma esférica fabricada de un material ligero que sirve para mantener a flote sobre el agua.

MOLINETE: Mide la velocidad en un único punto y para calcular la corriente total hacen falta varias mediciones.

FLEXÓMETRO: Es un instrumento de medición el cual es coincido con el nombre de cinta métrica, con la particularidad de que está construido por una delgada cinta metálica flexible, dividida en unidades de medición, y que se enrolla dentro de una carcasa metálica o de plástico.

4. METODOLOGIA

Se calculan los caudales por distintos métodos:

Aforo por flotador: Para medir la velocidad superficial del flujo, es necesario realizar el aforo por medio de flotadores, los cuales pueden ser naturales o artificiales. Éste método de aforo es poco preciso, usado para canales y ríos pequeños. Primero en la sección recta del canal, se mide la distancia que recorrerá el elemento flotador. Suavemente se introduce el flotador sobre la superficie del agua y simultáneamente se pone en funcionamiento el cronómetro. Éste procedimiento se realizó 3 (tres) veces para finalmente promediar y calcular la velocidad superficial del líquido en el canal, seguido de esto se calcula la velocidad del líquido y el caudal utilizando las siguientes ecuaciones:

VS=X

t , V=V S∗K , Q=V∗A , Q=K∗A∗V S

Donde

A= Área de la sección transversal del canal (m²)V= Velocidad media (m/seg)Vs=Velocidad superficialX= Largo del canal (m)t= Tiempo de recorrido del flotador (seg).k=Coeficiente de flotación (hallado en tablas teniendo en cuenta el radio hidráulico y la rugosidad del canal.

Aforo volumétrico: La medida volumétrica del caudal se aplica solamente a las corrientes muy pequeñas, siendo éste el método más exacto para medirlas. El aforo volumétrico se aplica bajo circunstancias especiales en las cuales no es posible emplear otros métodos. Este método consiste en una corriente o vertimiento de agua que presenta una caída en la cual se encuentra un recipiente instalado (recipiente aforador con graduaciones); determinando el tiempo requerido para llenar dicho recipiente a un volumen determinado.

Este método consiste en una corriente o vertimiento de agua que presenta una caída en la cual se encuentra un recipiente instalado (recipiente aforador con graduaciones); determinando el tiempo requerido para llenar dicho recipiente a un volumen de 25 litros. Este procedimiento se realizó 3 veces posteriormente se divide el volumen sobre el tiempo promedio y este cálculo nos da el caudal.

Q=Vt

Q=caudal circulanteV=volument =tiempo medio en llenar un determinado volumenAforo por molinete: Es un elemento mecánico que gira sobre un eje vertical u horizontal con una velocidad angular que depende de la velocidad lineal del agua en ese punto de medición. El molinete es un instrumento conformado por una serie de hélices, y su montaje consiste en colocarlo paralelamente a las líneas de corrientes y en dirección contraria al flujo. La velocidad de rotación es proporcional a la velocidad de la corriente; se cuenta el número de revoluciones en un tiempo dado.

Pendientes

con una pendiente del 3%, un caudal inicial de 2 litros por segundo con un flujo supercrítico se formó un salto hidráulico en un vertedero sin contracción lateral.

Cuando se disminuye la pendiente al 2% se disminuye la intensidad del salto hidráulico y su turbulencia también se puede observar que el salto hidráulico se desplaza aguas arriba.

Con una pendiente del 1% el salto hidráulico se sigue desplazando aguas arriba la velocidad del flujo es menor al igual que el número de Froude.

Se impuso un flujo subcrítico aguas abajo, mientras que aguas arriba el flujo se presentaba un flujo supercrítico.

Se volvió a incrementar la pendiente al 2% lo cual hace que el salto se corra aguas abajo:

Manteniendo la pendiente de 2% se bajó el caudal a un litro por segundo por tanto se cambia el salto hidráulico y produce erosión en el lugar en donde se produce.

Se incrementó de nuevo el caudal a 2 litros por minuto pero ahora se agregó una compuerta tipo guillotina lo cual genero un salto hidráulico aguas arriba de la compuerta que llego hasta la entrada por tanto se ahogó el salto hidráulico, por tanto ya no se genera flujo supercrítico, aguas abajo de la compuerta si ocurre un salto hidráulico con una fuerte erosión ya que este salto hidráulico se hizo fuerte.

Se incrementó la pendiente al 3% manteniendo la compuerta lo que género que los saltos hidráulicos se corrieran aguas abajo lo que quiere decir que el salto hidráulico aguas arriba de la compuerta apareció.

5. CALCULOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

Molinete:

Tiempo (s) Revoluciones

30.09 97

29.99 97

29.99 97

29.98 97

tprom=30.02 97

R.P.S= R/t = 97R/30.02seg = 3.23 R/s

Como n= 3.23 R/s, la ecuación a utilizar es:

V = 0.00543 (3.23) + 0.0304 m/s = 0.206 m/s, entonces V= 0.206 m/s

Q= V*A= (0.206 m/s)(0.0093 m2) = 0.0019 m3/s

A= b*h= 0.76m*0.122m= 0.093 m2

Se sitúa la élice del molinete a 0.049m medidas desde el fondo del canal.

Aforo volumétrico: Para 1.5L

Tiempo(s) Tirante(m) Caudal(m3/s)

5.54 0.045 0.0015

5.65 0.04 0.0015

5.66 0.029 0.0015

Tprom= 5.61 Yprom=0.038 0.0015

V= y/tprom = 0.038/5.61 = 0.0068m/s

Vmed= (0.0068m/s)(0.82)= 0.0055m/s

Q= V*A= (0.0055m/s)(0.0382m)(0.076m)= 0.0016m3/s

Aforo por vertedero:

Q=1.5L/s

Q= 1.84(L-0.1nH)H1.5 L=0.05m H=0.0629m, n=1

Q= 1.84(0.05-0.1(1)(0.0629))(0.06291.5)

Q=0.0013m3/s, se compara con el caudal de 1.5L/s al cual se redujo.

Al canal se le pone una contracción

Q= 0.0016m^3/s Y1=0.092m ancho con contracción=0.029ancho inicial=0.076m

Donde q es el caudal unitario (q=Q/b)

Lo primero que vamos a hallar es la energía inicial E1

E1= Y1+[(q^2)/(2*g*Y1^2)]

Nuestra energía inicial nos da

E1=0.0947m

Como no tenemos levantamientos ni perdidas de energía grandes lo que quiere decir que las podemos despreciar

E1= E2

Con lo cual podemos encontrar el tirante Y2 teniendo en cuenta la siguiente ecuación.

E2= 3Y2/2 despejando nos queda Y2=2E2/3

Por tanto Y2=0.0631m

Ahora procedemos a calcular la energía crítica con nuestro ancho reducido a 0,028m con la siguiente ecuación:

Yc= [q^2/g]^(1/3)

Con estos datos el tirante crítico nos da aproximadamente 0.0677m

Y como Ec =3Yc/2 entonces la energía critica es 0.1016m

Como nuestra energía crítica es mayor que la energía E2 quiere decir que ocurre choque así que nuestra energía no puede ser menor que esta por tanto debemos replantear nuestros cálculos utilizando esta energía

Como se tiene la energía critica y no tenemos levantamientos y las pérdidas son pequeñas y las podemos despreciar lo que quiere decir que E1f=Ec

Por tanto E1f=0.1016m

Y como sabemos que:

E 1f=Y1f+[(q^2)/(2*g*Y1f^2)]

Con esta ecuación vamos a hallar las tres raíces

Y1=0.066m

Y2=0.069m

Y3=-0.038m

Para saber cuál es el tirante a escoger se debe calcular el número de froude para saber el tipo de flujo

Fr=Velocidad/(Y1*g)^(1/2)=0.24 por tanto el flujo es subcritico

Por tanto el tirante que se debe escoger es el tirante más alto que en este caso es de 0,069m el otro tirante será su tirante alterno.

Datos obtenidos en la práctica experimental

7.9cm, 6.9cm, y 5.8cm obteniendo como promedio 6.86cm que aproximadamente son 0.069m que fue el obtenido al realizar los cálculos.

En la práctica también se pidió hallar el ancho crítico para el cual no ocurre choque

Lo que se puede aprender al realizar este laboratorio:

Los saltos hidráulicos se generan al pasar de un flujo supercrítico (altas velocidades bajos tirantes) a un flujo subcritico en donde las velocidades son bajas y los tirantes son altos.

6. CONCLUSIONES

Se mostró que existen numerosos métodos de aforos para medir caudales o determinar el tipo de flujo, sin embargo en esta práctica solo se pudo observar tres. Además el desarrollo de la práctica contribuyo a comprender de forma clara los conceptos vistos en clase, puesto que el equipo utilizado permitía condiciones ideales que facilitaba notar fenómenos como el de salto hidráulico.

El estudio del comportamiento de los fluidos es de mucha importancia en el campo de ingeniería, ya que experimentar con diferentes controles de flujo en un canal pueden tener efectos aguas arriba o aguas debajo de una sección de control, esto induce que para estudios de diseño se deben analizar los canales de manera integral indagando las perturbaciones que ocurren en el flujo y sus efectos, ya que, es fundamental determinar estas variables antes de realizar una intervención para efectos de planeación y prevención, orientados a mitigar posibles riesgos.

7. BIBLIOGRAFÍA

Ramírez, C. (2013). HIDRÁULICA. Universidad del Valle, Facultad de Ingeniería, EIDENAR. Sede Cali.

VEN TE CHOW. HIDRAULICA DE CANALES ABIERTOS. Traducido por Juan G. Saldarriaga. McGraw-Hill, 1994.

8. ANEXOSInstalación de compuerta Ejemplo de salto hídrico

Instalación de molinete características del canal instalación de compuerta

Ajuste del canal con rampa en el fondo Reducción de sección de canal