HIDRULICA LABORATORIO 2- UNASAM FIC 2015II

HIDRULICA LABORATORIO 2- UNASAM FIC 2015II

1. TITULO:

LABORATORIO N2-FLUJO GRADUALMENTE VARIADO

2. INTRODUCCION

El ingeniero civil, debe de estar familiarizado y experimentar con los diversos tipos de flujos producidos en un canal, ya sea por un barraje o algn vertedero los cuales nos hacen tener un comportamiento distinto a la de un flujo normal, el cual produce flujos gradualmente variado, en esta prctica de laboratorio vamos a conocer el estudio experimental y luego realizar un anlisis de los resultados que estamos obteniendo para ellos vamos a desarrollar un resumido marco terico de los conceptos que usaremos, definiremos nuestros objetivos y posteriormente haremos la descripcin de lo que se hiso en el laboratorio para finalmente obtener los resultados, poder discutirlos y sacar nuestras conclusiones.

3. OBJETIVOS

a. OBJETIVO GENERAL

Obtener un flujo gradualmente variado con el uso de un barraje y determinacin de los diversos tipos de flujo.

b. OBJETIVO ESPECIFICO

Estudiar y analizar en comportamiento de este flujo gradualmente variado y la influencia de los controles que lo generan.

Comparar los resultados obtenidos y diferenciar los diversos tipos de flujos que puedan existir, ya sea aplicando modelos matemticos, y compararlo los perfiles del flujo experimental con los resultados tericos.

4. MARCO TEORICO

1.- FLUJO GRADUALEMENTE VARIADO:

El flujo variado puede ser clasificado como rpidamente variado o gradualmente variado. En el primer caso (rpidamente variado) la profundidad de flujo cambia abruptamente en una distancia comparativamente corta, por ejemplo en un resalto hidrulico. En el otro caso, se requieren distancias mayores para que alcancen a desarrollarse los perfiles de flujo gradualmente variado. En un canal con flujo permanente uniforme pueden existir causas que retardan o aceleran la corriente de forma que pasa a condiciones variadas que se manifiestan por un aumento o disminucin de la profundidad del flujo, respectivamente.

1.1 Flujo variado retardado

Se presenta cuando la velocidad del flujo disminuye, y por ende aumenta la profundidad (Figura X.1.a), en el sentido de la corriente. Algunas causas que retardan el flujo son: disminucin brusca de la pendiente del canal; interposicin de obstculos en el lecho del canal como vertederos, presas, compuertas de control. Para condiciones iniciales de flujo uniforme lento, se tendr flujo gradualmente variado; para flujo uniforme rpido se presentar un resalto hidrulico al pasar a condiciones de remanso.

1.2 Flujo variado acelerado

Se presenta cuando la velocidad del flujo aumenta, y por ende la profundidad disminuye (Figura X.1.b), en sentido de la corriente; ocurre cuando la pendiente del canal aumenta bruscamente o cuando existe una cada vertical.

2.- PERFILES DEL FLUJO GRADUALEMTE VARIADO

En el anlisis de flujo en canales abiertos es necesario predecir el comportamiento de los perfiles de la lmina de agua. Esto se puede hacer con un anlisis del comportamiento de la pendiente de la superficie del agua en funcin de las variables geomtricas e hidrulicas del flujo, como se analizar a continuacin.

En cualquier seccin transversal la energa total H est dada por la expresin:

En donde:

H: energa total.

V: velocidad de flujo.

Y: energa de presin (P/).

Z: posicin respecto al plano de referencia.

Derivando la ecuacin (1) con la distancia longitudinal y considerando un sistema de referencia (X, Y) con incrementos positivos hacia la derecha y hacia arriba respectivamente, se obtiene:

En donde:

B: ancho de la superficie libre del agua.

A: rea mojada.

: es el cambio de energa respecto a la distancia x, es decir la pendiente de friccin; siempre negativa para el sistema de referencia especificado.

: es el cambio en la energa cintica respecto a la distancia.

: es el cambio de elevacin del fondo del canal con respecto a la distancia, o pendiente del fondo; para el sistema de referencia especificado es negativa cuando decrece en el sentido de flujo.

: Nmero de Froude.

: Profundidad hidrulica.

Sustituyendo en la ecuacin (2) y despejando para el cambio en la profundidad con la distancia se tiene:

Que describe la variacin de la profundidad de flujo en un canal de forma arbitraria como funcin de y .

Por convencin, estas zonas se numeran del 1 al 3 empezando por la porcin superior. Los perfiles en canales con pendientes menores que la crtica, se denominan perfiles de pendiente suave (M); los perfiles en canales de pendiente mayor que la crtica se denominan de pendiente fuerte (S); los perfiles en canales con pendiente igual a la pendiente crtica se llaman (C), los perfiles en canales con pendiente negativa se denominan adversos (A) y los perfiles en canales horizontales se denominan (H). Para cada zona y para cada tipo de pendiente del canal, la pendiente del nivel del agua puede ser positiva o negativa, presentndose flujo retardado o acelerado respectivamente.

Por ejemplo para un canal de pendiente suave (M) o subcrtica (FYn>Yc; se forma remanso, perfil M1.

Zona 2: Yn>Y>Yc; se forma cada, perfil M2.

Zona 3: Yn>Yc >Y; se forma remanso, perfil M3.

OTRO ejemplo para un canal de pendiente fuerte (S) o supercrtica(F>1):

Zona 1: Y>Yn>Yc; se forma remanso, perfil S1.

Zona 2: Yn>Y>Yc; se forma cada, perfil S2.

Zona 3: Yn>Yc >Y; se forma remanso, perfil S3.

Con un anlisis similar al anterior para cada zona y cada pendiente se tienen diversas situaciones, presentadas en la figura siguiente.

3.- METODOS DE CLCULO

3.1 METODO DIRECTO POR TRAMOS

En este mtodo se divide el canal en tramos cortos y se hacen los clculos etapa por etapa. Es un mtodo simple aplicado a canales prismticos.

En la Figura X.2 se puede plantear la ecuacin de energa entre los puntos 1 y 2.

En donde:

Reemplazando la ecuacin (X.5) en la ecuacin (X.4) y despejando para x se obtiene:

x: longitud de cada tramo.

E1: energa especfica para la seccin inicial del tramo.

E2: energa especfica para la seccin final del tramo.

S0: pendiente del canal en tanto por uno (m/m; cms/cms).

Sf: pendiente de friccin, tambin denominado gradiente hidrulico medio del tramo.

Se calcula para la profundidad media del tramo dada por:

Y1: profundidad del agua en la seccin inicial del tramo.

Y2: profundidad del agua en la seccin final del tramo.

Para el sistema de unidades tcnico, internacional o M.K.S:

Am : rea de la seccin media de profundidad Ym.

Rm : radio hidrulico de la seccin media de profundidad Ym.

Q : caudal.

n : coeficiente de rugosidad del canal segn Manning.

Para aplicar este mtodo se debe conocer la profundidad de la seccin inicial y la clase de variacin. Tomando incrementos o decrementos Y, la profundidad siguiente ser Y2 = Y1 Y

El signo es (+) si la variacin es retardada hacia aguas abajo y el signo es (-) si es acelerada. El valor de los intervalos que se adopten (x, Y) puede ser cualquiera, pero entre ms pequeo sea, es mayor la exactitud del mtodo.

3.2. TAMBIEN PUEDE SER RESUELTA POR EL PROGRAMA H CANALES.

5. RELACION DE APARATOS Y EQUIPOS UTILIZADOS

Se emplearon los siguientes equipos:

CANAL DE SECCIN RECTANGULAR Y PENDIENTE VARIABLE:

El canal de ensayo es un canal de 20 m prismtico de seccin rectangular que se divide en dos tramos de 10m que se comportan como vigas biapoyadas sobre vigas de seccin en doble T. Estas vigas de apoyo se sujetan mediante dos pies laterales y se sitan a la altura que se desee para obtener una pendiente determinada que podr variar del -4% al 4 %. En este estudio se va a trabajar con pendientes entre 0% y 2%.La seccin est formado por paredes de vidrio de 0,80 m de altura y un fondo de acero 0.6 m de anchura. Las placas de vidrio y acero se sustentan en un esqueleto compuesto por piezas en U de 2.2 metros de longitud ensambladas de forma que las juntas no tengan una rugosidad apreciable y se desprecien.

LIMNMETRO DE PUNTA APOYADO SOBRE UNA BASE RODANTE:

A menudo es necesario medir la posicin de la superficie del agua en estado estable durante los estudios hidrulicos. Esto se realiza ajustando manualmente una pequea punta o un pequeo gancho para que toque la superficie del agua, y leyendo el movimiento vertical en una escala o con un vernier (nonio).

Este instrumento sirve para realizar mediciones de gran exactitud (1/10mm.) del nivel de la superficie del agua. La barra graduada tiene una longitud til de 300 mm (estndar) y se desplaza por la accin de una cremallera. Cada aparato se entrega con una punta y un gancho para realizar mediciones descendentes a o ascendentes y una escuadra para fijarlo a la superficie de soporte. Construido en bronce con tratamiento galvnico de alta proteccin.

Caractersticas tcnicas

Escala:

0~300 mm0~500 mm (a pedido)

Menor divisin:

0.1 mm

Medidas:

450 x 100 mm

Peso:

1 kg

WINCHA DE 3.00 M:

Una cinta mtrica es un instrumento de medida que consiste en una cinta flexible graduada y se puede enrollar, haciendo que el transporte sea ms fcil.

6. PROCEDIMIENTO SEGUIDO

a. 1ero. Se procedi a prender el equipo con este tablero de mando.

b. 2do. Se gradu la pendiente para cada ensayo, la pendiente esta en porcentaje.

c. 3ero. Hacer circular agua en el canal, abriendo la llave.

d. 4to. Leer la altura en la vertedero triangular, para determinar los caudales.

e. 5to. Leer los tirantes con el limnimetro a cada 0.5 m , los cuales estn

marcadas desde el numero 0 al 15 lo que corresponde a una longitud de 7.5 m.

Identificar la posicin del resalto hidrulico.

7. RECOPILACION DE DATOS

B = 0,25 m, h = 0,143 m, S(%) =1.2

Cada 0.5 m

Y(m)

0

0

0.195

1

0.50

0.186

2

1.00

0.177

3

1.50

0.168

4

2.00

0.161

5

2.50

0.152

6

3.00

0.142

7

3.50

0.133

8

4.00

0.123

9

4.50

0.112

10

5.00

0.103

11

5.50

0.091

12

6.00

0.081

13

6.50

0.071

14

7.00

0.029

15

7.50

0.027

8. CALCULOS REALIZADOS

1. DETERMINACIN DEL CAUDAL:

2. CALCULO DE LA RUGOSIDAD COMPUESTA.

n1(3/2)*p

n1

0,009

p1

0,0740

0,000063

n2

0,012

p2

0,2500

0,000329

n3

0,009

p3

0,0740

0,0001

SUMA

0,3980

0,000455

3. Determinacin del nmero de FROUDE, tirante normal por HCANALES:

4. Determinacin del tirante critico por HCANALES.

9. RESULTADOS OBTENIDOS:

DE PENDIENTE FUERTE ( Yc > Yn)

11. CONCLUSIONES

Se determin que es un flujo es supercrtico y de pendiente fuerte ya que el Yc > Yn.

En el flujo se encontr como tipos de perfiles: S1; S2 Y S3

En el flujo gradualmente variado de manera prctica se hacen muchas consideraciones de manera de simplificar las cosas que a la larga no afectan en mucho lo calculado segn los mtodos.

12. OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES:

Es recomendable esperar que se estabilice el nivel del agua para obtener el caudal verdadero.

Leer los tirantes una vez que el caudal este constante los tirantes a cada medio metro

13. BIBLIOGRAFIA

ROCHA, A..... Hidrulica de Tuberas y Canales, Lima, Per, 2000

VEN T. CHOW... Open-channel hydraulics, Mc Graw-Hill,1959

Merle c. potter, David c. wiggert; tercera edicion

LINKGRAFIA

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C%ADa_espec%C3%ADfica_(hidr%C3%A1ulica)

http://hidraulica.umich.mx/laboratorio/images/man_pdf/5o/5_p3.pdf

http://artemisa.unicauca.edu.co/~hdulica/8_energiaespecifica.pdf