Laboratorio Hidráulica – Orificio Lesmes López, Jorge Enrique; González, Mónica Ximena; Echeverri Parra, Julieth Carolina U1101352@unimilitar.edu.co , U1101346@unimilitar.edu.co , U1101341@unimilitar.edu.co

Universidad Militar Nueva Granada, Facultad Ingeniería, Ingeniería Civil

Resumen

Para entender el comportamiento del agua y más específicamente el comportamiento de esta a la salida de un orificio en caída libre, con el objetivo de determinar en comportamiento y características de este, se realiza un experimento o practica de laboratorio donde encontramos estas características, el cambio de velocidad y caudal en la trayectoria del flujo al salir del orificio, la relación entre los diámetros del orificio y de la vena liquida o chorro que sale de este; este fenómeno se evidencia en el cambio de presión cuando el fluido sale, se realiza un montaje y determinan las lecturas de presión y de trayectoria del fluido evaluando los coeficientes y estableciendo su clasificación según lo observado.

Palabras Clave Orificio, Caudal, Coeficiente de contracción, Coeficiente de velocidad, Coeficiente de descarga, Vena liquida, Lamina de agua.

Introducción

Para determinar las características y el comportamiento de un orificio, se realiza un ensayo de laboratorio en el cual se obtienen los valores de caudales, coeficiente de contracción, velocidad y de descarga.

Teniendo en cuenta, el campo de aplicación de los orificios; se definen como perforaciones usadas con el fin de determinar el caudal que sale de un depósito de líquido o que pasa a través de una tubería, estos pueden ser clasificados según:

Ancho de pared (delgada o gruesa) Forma (circular, rectangular o cuadrada) Dimensiones (pequeño o grande) Funcionamiento (orificio de caída libre,

orificio de descarga ahogada)

La corriente liquida que sale del depósito se conoce como vena liquida o chorro, y es esta quien define el ancho de la pared ya que si este tiene un contacto en línea, se considerara la pared como pared delgada y si por el contrario el contacto es en superficie la pared será gruesa.(Figura 1: orificio en pared gruesa y pared delgada)

Al comparar el área del orificio con el diámetro de la vena liquida se establecerá el coeficiente de contracción.

En orificios también se habla de coeficiente de velocidad el cual puede hallarse con la relación entre el caudal y el área transversal de la vena liquida, además del coeficiente de descarga el cual se define como la relación entre el caudal real y el caudal teórico, y se hace constante cuando se habla de flujo turbulento.

Elementos del Trabajo y metodología

Equipos:Durante el proceso de desarrollo de la práctica de laboratorio se debe tener en cuenta los procesos metodológicos y los equipos que harán parte del procedimiento experimental en el laboratorio de hidráulica, con el fin de generar un buen manejo en la maquinaria y desenvolverse eficazmente y obtener buenos resultados, a continuación se describen el montaje principal con el cual se desarrolla la práctica de laboratorio (Figura 2: Orificio de descarga libre).

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Contando con una válvula reguladora de caudal, una válvula de purga múltiple la cual permite sacar el aire acumulado en la sección longitudinal de tubería y los piezómetros antes de ser usados, una válvula conducida al manómetro de mercurio con la cual se puede tomar las lecturas de presión, y finalmente el sistema de tubería y los piezómetros, ubicados de la siguiente manera:

(Figura 3: Detalles de ubicación de piezómetros)

Metodología:La metodología consiste en abrir gradualmente la válvula de compuerta, haciendo circular un caudal inicial tomando los valores de las presiones en cada piezómetro, seleccionando la columna de agua para tomar los valores de las presiones en los piezómetros del 1 al 8, ya que se espera que estas presiones no sean relativamente altas, y seleccionado la columna de líquido de mercurio para los dos últimos piezómetros 9 y 10 en la lectura de presiones, las columnas de los líquidos, ya sea agua o mercurio se seleccionan abriendo la válvula que comunica al fluido con el que se quiere medir.

Las lecturas se toman abriendo la válvula de bola que comunica al manómetro de mercurio, y la válvula del punto a tomar lectura, cerrando esta al abrir la del punto siguiente sin cerrar la válvula del manómetro.

Después de realizar la lectura de presiones se tomaran de acuerdo con la lámina de acrílico ubicada paralela a la trayectoria del chorro, los valores de X y Y en tres puntos diferentes de la trayectoria del fluido al salir del orificio en caída libre:Se realiza la lectura de presiones y valores de X y Y para cuatro caudales diferentes, los cuales son aumentados progresivamente y para un ultimo caudal maximo.

Resultados

A continuacion se muestran los datos obtenidos en la practica de laboratorio, los cuales se muestran en la tabla N°1 :

Tabla N°1

Con las coordenadas obtenidas se determinó el valor de velocidad REAL mostrados en la tabla N°2 (descritas ampliamente a continuación); la velocidad se determina con la ecuación (3) de la guía de orificios:

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A partir de los resultados de la velocidad real calculada anteriormente se determina el caudal real en cada coordenada tomada de la trayectoria del fluido con la ecuación(4), teniendo en cuenta que los datos de las coordenadas obtenidas en la práctica de laboratorio se deben corregir con las coordenadas reales del chorro así :

EC (4)

Los datos obtenidos para el caudal real se muestran en la tabla N°3:

Tabla N°3

Se determinan los valores del caudal y la velocidad ideal con las siguientes ecuaciones:

En el proceso de desarrollo se obtuvo los siguientes resultados observados en la tabla N° 4:

Tabla N°4

A partir de los datos de las lecturas de presión determinados en la tabla 1, se calcula la línea piezometricas, estos datos se muestran en la siguiente tabla N° 5.

TablaN°5

A partir de los datos calculados se establece gráficamente la relación de la línea piezometrica como se muestra a continuación en la GRAFICA 1:

Grafica (1)

Teniendo en cuanta la información proporcionada por los diseños en AutoCAD del montaje y los cálculos realizados anteriormente

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se pueden establecer los cálculos de los coeficientes de contracción, velocidad y descarga de la siguiente manera:

En la cual se proporcionan los siguientes datos:

coef.contraccion Cc 0,85694694

Nota: El coeficiente de contraccion se presenta de esta manera devido a que se produgeron errores de toma de datos durante la practica de laboratorio y se tomo como dato principal un diametro de contraccion de 3,25cm .

Análisis de resultados

Tras realizar la práctica y cálculos correspondientes se obtuvieron los valores de los coeficientes de contracción, velocidad y descarga, así como velocidad, y caudal según las coordenadas de los puntos tomados durante el ensayo.A pesar de que hubieron algunas falencias a la hora de tomar los datos se obtuvieron resultados idóneos para realizar la gráfica de línea piezometrica donde se puede visualizar que dependiendo del caudal las presiones permanecen constantes en las diferentes

longitudes horizontales hasta obtener un aumento de presión en la salida del orificio. Conclusiones

Según la observación de las características físicas del montaje de orificio se puede inferir que el sistema está compuesto por una sección circular a lo largo del sistema de tubería, con caída libre donde el chorro fluye libre en la atmosfera con una trayectoria parabólica lo que hace que sea un orificio de características ideales para determinar puntualmente los factores de incidencia tales como presión, caudal, velocidad etc.

Referencias [1]Guía de laboratorio - Orificios - Universidad Militar Nueva Granada[2]www.escuelas.fi.uba.ar/iis/Orificios%20y%20vertederos.pdf[3]www.fic.umich.mx/~hidraulica/man_pdf/3o/3_p5.pdf[4]www.quirumed.com/es/Catalogo/articulo/24037

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