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CONTENIDO
Página
I. ÍNDICE DE FIGURAS 3
II. ÍNDICE DE TABLAS 4
III. LISTA DE SÍMBOLOS PRINCIPALES 5
IV. INTRODUCCIÓN 6
V. ENERGÍA ESPECÍFICA EN CANALES 7
5.1 RESUMEN 7
5.2 FUNDAMENTO TEÓRICO 7
5.3 DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO 8
5.4 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 9
5.5 CUADRO DE DATOS 12
5.6 CÁLCULOS Y RESULTADOS 12
5.7 CUESTIONARIO 12
VI. MOMENTA O FUERZA ESPECÍFICA EN CANALES 14
6.1 RESUMEN 14
6.2 FUNDAMENTO TEÓRICO 14
6.3 DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO 16
6.4 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 16
6.5 CUADRO DE DATOS 17
6.6 CÁLCULOS Y RESULTADOS 18
6.7 CUESTIONARIO 20
VII. CONCLUSIONES, OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES 26
VIII. BIBLIOGRAFÍA 27
IX. ANEXO 28
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ÍNDICE DE FIGURAS
Página
Fig. 1 Canal abierto 7
Fig. 2 Curva de Energía especifica 8
Fig. 3 Sistema que aumenta o disminuye la pendiente del canal 12
Fig. 4 Caja principal conectada al sistema, se observa los botones 12
Fig. 5 Llave abierta, se observa el flujo de agua en el canal 12
Fig. 6 Limnímetro 12
Fig. 7 Lecturas de la altura de agua en el vertedero con limnímetro 12
Fig. 8 Limnímetro para medir la altura de agua 12
Fig. 9 Tabla con las mediciones en el canal 13
Fig. 10 Dispositivo Electromecánico Regulador de Pendiente (s%) 13
Fig. 11 Interruptor de Acción del Motor de variación de pendiente 13
Fig. 12 Curva de Tirante vs. Energía 19
Fig. 13Gráfica de Ecuación de la Energía Específica Relativa con los valores de x=y/Yc
indicados 19
Fig. 14 Gráfica del Tirante vs. Energía específica 20
Fig. 15 Gráfica de la Fuerza Específica vs. Profundidades 20
Fig. 16 Gráfico Adimensional de la Fuerza Específica 21
Fig. 17 Esquema del resalto hidráulico en el canal 24
Fig. 18 Vista general del canal 28
Fig. 19 Vista de ondulaciones más pronunciadas 28
Fig. 20 Ingreso de agua al Canal
Fig. 21 Mediciones de fondo del canal
Fig. 22 Inicio del Salto Hidráulico
Fig. 23 Salto Hidráulico
Fig. 24 Mediciones antes del Resalto
Fig. 25 Mediciones después del Resalto
2 Energía específica y Momenta en Canales
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ÍNDICE DE TABLAS
Página
Tabla 1. Datos para hallar la Energía Específica 14
Tabla 2. Cálculos para hallar la Energía Específica 15
Tabla 3. Cálculos para hallar la Energía Específica Relativa 15
Tabla 4. Datos para hallar la Fuerza Específica en el resalto hidráulico 16
Tabla 5. Cálculos para hallar la Fuerza Específica antes del resalto hidráulico 16
Tabla 6. Cálculos para hallar la Fuerza Específica después del resalto hidráulico 17
Tabla 7. Comparación de momentas antes y después del resalto hidráulico 17
Tabla 8. Momentas calculados con los tirantes verticales considerando la pendiente (s%) 17
Tabla 9. Cálculo de las pérdidas de Energía en cada salto hidráulico 18
3 Energía específica y Momenta en Canales
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LISTA DE SÍMBOLOS PRINCIPALES
Q: Caudal en el canal
A: Área de la sección transversal del canal
b: Ancho de la sección del canal
V: Velocidad media
s%: Pendiente de un canal en porcentaje (slope)
hf : Altura medida desde el fondo del canal
hs : Altura medida desde la superficie del canal
Hv: Altura del vertedero
E: Energía específica
M: Momenta
: Centro de gravedad medida respecto de la superficie de agua del canal
y1: Tirante antes del resalto hidráulico
y2 : Tirante después del resalto hidráulico
y: Tirante de una sección de flujo
Yc: Tirante crítico
C*: Constante auxiliar de la ecuación de la Energía
C: Coeficiente de Chezy
EE: Energía específica relativa
M1’: Momenta antes del salto hidráulico asociado a tirantes verticales.
M2’: Momenta después del salto hidráulico asociado a tirantes verticales.
F1: Número de Froude antes del salto hidráulico
F2: Número de Froude después del salto hidráulico
K: Relación de tirantes antes y después del salto hidráulico.
RH: Radio Medio Hidráulico
g: Aceleración de la gravedad
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IV. INTRODUCCIÓN
En el mundo de la Ingeniería Civil, especialmente en la hidráulica, los conceptos de flujos en canales abarcan innumerables estudios, debido al igual número de dificultades y condiciones que se puedan tener antes de concretar una obra.
Estos estudios abarcan conceptos como el de Energía específica, que relaciona el caudal y el tirante para un flujo de agua. Parámetros necesarios si se desea, por ejemplo, realizar embalses de ríos, o diseñar canales de agua,
También es importante estudiar el comportamiento del Salto Hidráulico, ya que este está presente en innumerables obras de ingeniería, que van desde: Presas, compuertas, embalses, canales, etc. El Resalto como también es denominado, se presenta cuando existe un cambio abrupto de tirante en un canal (que puede ser natural o artificial), por lo tanto representa un cambio de energía considerable. También, al ser un movimiento abrupto, considera un movimiento de mezcla de agua, lo cual incorpora aire al flujo de agua.
Para definir correctamente estas condiciones del Flujo es preciso conocer previamente el concepto del Número de Froude, Parámetro adimensional que es una relación proporcional entre las fuerzas gravitacionales y las fuerzas inerciales, y su definición está dada por:
Se aprecia que el número de Froude relaciona la velocidad (V) y el tirante hidráulico (d). En el
denominador se encuentra la expresión: denominado celeridad, que es la velocidad de una onda
superficial en un flujo de agua.
La relación entre la velocidad y la celeridad nos da tres tipos de flujos, según el valor que tome:
Flujo Subcrítico
Flujo Crítico
Flujo Supercrítico
Esta clasificación de flujo nos da un mejor concepto del resalto hidráulico, el cual es el paso abrupto de un régimen supercrítico a uno subcrítico con gran disipación de energía, como ya se mencionó. Asimismo nos ayuda a clasificar según los tramos de la gráfica de tirante vs energía específica un flujo en: Río, Flujo Crítico y Torrente. He ahí la importancia del número de Froude.
5 Energía específica y Momenta en Canales
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V. ENERGÍA ESPECÍFICA EN CANALES
5.1 RESUMEN
En esta parte de la experiencia se estudia el comportamiento de un flujo de agua en canales abiertos. El proceder se hace para flujos subcríticos y supercríticos para un caudal con sección transversal rectangular. Dichos tipos de flujos (clasificados según su respectivo número de Froude) son logrados mediante un motor que eleva o desciende la altura del canal, así se obtienen diferentes pendientes.
También hemos podido estudiar el cambio de régimen de un flujo supercrítico a un flujo subcrítico, el cual se logra en un canal rectangular con caudal constante poniendo un obstáculo al paso del agua, dicho obstáculo se obtuvo cerrando las compuertas que se encuentran al final del canal.
5.2 FUNDAMENTO TEÓRICO
Se considera un canal abierto a un conducto con una superficie libre, que siempre está a presión atmosférica. El flujo en canales abiertos tiene lugar en ríos, arroyos, acequias, desagües, etc. Para los casos en los que el canal abierto sea horizontal o tenga una pequeña pendiente.
FIGURA 1: Canal abierto
Se puede aplicar la ecuación de la conservación de energía de Bernoulli entre dos puntos de una misma línea de corriente.
…(1)
Cada término de la ecuación esta en unidades de metros (m)- También:
…(2)
- Entonces:
...(3)
Para la Energía específica no tomamos el valor de z, solo está representada por la ecuación (3), donde: Q es el caudal, A es el area, y el tirante, y g la gravedad.
6 Energía específica y Momenta en Canales
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- Al examinar la ecuacion (3), nos encontramos con una gráfica que tiene que ser muy conocida para nosotros, curva E-y:
FIGURA 2: curva de energía específica.
5.3 DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO
EL CANAL
o La sección del canal es de 0.1m² (ancho= 0.25 m y altura útil = 0.40m)
o La pendiente del canal varía entre + 10% y - 3% (en contra-pendiente).
o El caudal máximo de ensayo es de 100 l/s, la longitud útil aproximado del canal es de 10.5 m.
o El sistema canal visto desde aguas arriba hacia aguas abajo está compuesto de los siguientes
elementos:
Un elemento metálico de alimentación provisto de una compuerta de inicio de velocidad
(compuerta llamada pico de pato) al cual sigue un tranquilizador, para obtener el flujo de filetes
paralelos desde el inicio del canal.
En la brida de aguas abajo del último elemento está instalado una compuerta del tipo persiana que
permite el control de niveles en el canal.
Tres rieles de cojinetes para el desplazamiento del carrito porta limnímetro de puntas.
7 Energía específica y Momenta en Canales
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Este sistema canal está instalado sobre una viga tubular que en parte constituye el conducto de
alimentación y se apoya hacia aguas arriba sobre un eje - articulación que se apoya en dos
plataformas; y aguas abajo en 2 gotas mecánicas comandadas por un mecanismo
electromecánico.
5.4 PROCEDIMIENTO
Se fija la pendiente del canal con la cual se va a trabajar (son 6 diferentes pendientes). El sistema
para la fijación de las pendientes es electromecánico, q tan solo con presionar un botón sube o baja la
pendiente en intervalos de 2%.
8 Energía específica y Momenta en Canales
FIGURA 3: Sistema que aumenta o disminuye la pendiente del canal.
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FIGURA 4: Caja principal conectada al sistema, se observa los botones.
Abrir la llave para el ingreso del agua al canal.
Medir el caudal al inicio y al final de la experiencia.
9 Energía específica y Momenta en Canales
FIGURA 5: Llave abierta, se observa el flujo de agua en el canal.
FIGURA 6: Limnímetro. FIGURA 7: Lecturas de la altura de agua en el vertedero con limnímetro.
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Hacer las mediciones de las alturas de agua en el canal (para cada pendiente), esta lectura se realiza
con un limnimetro ubicado en la parte superior del canal, este aparato el móvil por razones que
veremos más adelante. Las lecturas son tomadas en la superficie de agua y en el fondo del canal, para
hallar por diferencia la altura de agua (tirante).
FIGURA 8: Limnímetro para medir la altura de agua.
Anotar todas las medidas en una tabla, para realizar los cálculos correspondientes.
FIGURA9: Tabla con las mediciones en el canal.
Repetir los pasos anteriores para cada pendiente fija, en este experimento serán 6 pendientes
diferentes, y para estos valores habrá un tirante critico q se debe calcular.
10 Energía específica y Momenta en Canales
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5.5CUADRO DE DATOS
S% (pendiente)
COTAS O ELEVACIONESSUPERFICIE (cm) FONDO (cm)
0.2 24.15 9.760.6 18.71 9.801 17.59 9.75
1.6 16.60 9.782.0 16.35 9.752.6 16.21 9.74
Si se quiere conseguir el caudal que circula por el canal, emplearemos la formula de descarga para un vertedero triangular y con un coeficiente c constante:
Q1 = 0.0332=c (0.0297) ^2.5 → c = 0.69123
Q2 = 0.03295=c (0.0296) ^2.5 → c = 0.6909
→ C prom =0.6906
QProm=c.(0.02962)^2.5 =0.032989
5.6 CÁLCULOS Y RESULTADOS
S% Y(m)
A= b x Y (m2)
Q2/(2g*A2)(m)
E= Y+ Q2/(2g*A2) (m)
Yc(m)
Y/Yc E/Yc
0.2 0.1439 0.03598 0.0428596 0.1867596
0.121078
1.188490 1.50030.6 0.0891 0.02228 0.1117929 0.2008929 0.735889 1.51341 0.0784 0.01960 0.1443901 0.2227901 0.647516 1.6285
1.6 0.0682 0.01705 0.1908099 0.2590099 0.563273 1.73492.0 0.066 0.01650 0.2037425 0.2697426 0.545103 1.82762.6 0.0647 0.01618 0.2120123 0.2767123 0.534366 1.9259
TABLA 3: Resultados obtenidos.Siendo:b= Ancho de la base (0.25m)Y= Tirante (m)A= Área de la sección transversal (m2)Q= Caudal (m3/seg)E= Energía Específica (m)Yc= Tirante crítico (m)
El valor del Tirante crítico (Yc) se ha determinado empleando la siguiente ecuación:
(Ecuación que será demostrada más adelante)
11 Energía específica y Momenta en Canales
VERTEDEROh (cm) Q (lts/seg) Q promedio29.7 33.20
32.98929.6 32.95
TABLA 1: Medidas de tirantes y pendientes.
TABLA 2: Caudal en el canal.
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5.7 CUESTIONARIO
Demostrar que la energía especifica mínima ocurre cuando , es decir, cuando el número de froude es igual a 1.
De acuerdo con la ecuación de la energía:
Derivando con respecto a y:
Para una sección rectangular:
, entonces
Reemplazando tenemos: , también
Esta ecuación se empleó anteriormente para conocer el valor de: Yc = 0.121078m
Gráfica de la curva E vs Y.
Gráfica de la curva E/Yc vs Y/Yc.
12 Energía específica y Momenta en Canales
GRÁFICA 1: Energía vs tirante
GRÁFICA 2: Energía específica relativa vs tirante
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VI. MOMENTA O FUERZA ESPECÍFICA EN CANALES
6.1 RESUMEN
El experimento consiste en simular un salto hidráulico, mediante el paso repentino de un flujo supercrítico a uno subcrítico. Lo cual se logra con la manipulación del accesorio de salida de agua del canal de experimentación; es decir, el cerrado de la persiana.
Logrado el efecto de resalto se toman las medidas de los tirantes antes y después del salto hidráulico. La dificultad de estas mediciones es la ondulación en la superficie del agua que produce el salto, para lo cual se tendrá las siguientes consideraciones:
Después de iniciado el resalto, se dejará estabilizar el flujo de agua. Las mediciones con el limnímetro se harán aproximadamente en la mitad de la altura de las
ondulaciones en una zona de vientre de onda. Las mediciones para antes y después del resalto se harán, como se menciona, antes y después de
la zona de turbulencia, donde se aprecia un burbujeo constante. Esta zona de cambio abrupto de tirante representa una pérdida de energía, asimismo, el burbujeo indica la inclusión de aire en el agua.
Para controlar los caudales se debe hacer una medición antes y después del experimento, esto gracias a la ayuda del vertedero de 53.8º instalado. Es preciso que el flujo de agua este estable para así poder tomar medidas acertadas de este parámetro. Esto con el limnímetro y el uso de tablas y la posterior interpolación.
6.2 FUNDAMENTO TEÓRICO
La segunda ley del movimiento de Newton dice:
Consideraremos un canal limitado por dos secciones transversales 1 y 2:
FIGURA 10: grafica para la deducción de la ecuación de la fuerza específica.
- De la cual se puede deducir:
13 Energía específica y Momenta en Canales
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- Si: ө=0° , =0 y
Saltos hidráulicos:
FIGURA 11:Saltos hidráulicos.
- Grafica de la fuerza específica:
FIGURA 12: fuerza específica.
14 Energía específica y Momenta en Canales
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Ecuación adimensional de la fuerza especifica relativa al tirante critico de los canales rectangulares:
- Si a (4) reemplazamos A=b*y , =Y/2 y dividimos entre y de la condición critica
se tiene que:
- Si: :
6.3 DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO
El equipo es el mismo para esta parte.
6.4 PROCEDIMIENTO
Del procedimiento anterior se tiene el flujo en el canal. Producir el resalto en el canal con un accesorio que se encuentra adherido a él en la parte de la
salida.
15 Energía específica y Momenta en Canales
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FIGURA 13: Formación del resalto.
FIGURA14: Accesorio para producir el resalto.
Tomar las medias de los tirantes antes y después del resalto (tirantes conjugados).
16 Energía específica y Momenta en Canales
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FIGURA 15: Mediciones antes y después del resalto.
Repetir los pasos anteriores para cada pendiente dada.
6.5CUADRO DE DATOS
S%ANETES DEL RESALTO Y1 DEPUES DEL RESALTO Y2
cotas o elevación (cm) cotas o elevación (cm)superficie fondo superficie fondo
3 15.93 10.2 32.79 10.072.8 16.11 9.92 32.78 10.022 16.52 9.91 31.15 10.01
1.4 17.91 9.76 30.98 9.75
TABLA 4: Datos del resalto.
6.6CÁLCULOS Y RESULTADOS
Condiciones antes del resalto
N° S% Hs(cm) Hf(cm) Y1(m) E(m) M1 (m^3) V1(m/s) Froud 1
1 3 15.93 10.2 0.0573 0.327602 8.154E-03 2.302 3.0702 2.8 16.11 9.92 0.0619 0.293521 7.647E-03 2.131 2.7343 2 16.52 9.91 0.0661 0.269221 7.259E-03 1.996 2.4794 1.4 17.91 9.76 0.0815 0.215111 6.274E-03 1.619 1.810
TABLA 5: Datos antes del resalto.
Condiciones después del resalto
N° S% Hs(cm) Hf(cm) Y2(m) E(m) M2(m^3) V2(m/s) Froud 2
1 3 32.79 10.07 0.2272 0.22817 8.405E-03 0.580 0.3884
17 Energía específica y Momenta en Canales
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2 2.8 32.78 10.02 0.2276 0.22857 8.424E-03 0.579 0.3873 2 31.15 10.01 0.2114 0.21244 7.685E-03 0.624 0.4334 1.4 30.98 9.75 0.2123 0.21334 7.724E-03 0.621 0.430
TABLA 6: Datos después del resalto.
Sabemos que las momentas antes del salto (M1) y momentas después del salto (M1) 2 deben ser iguales, verifiquemos esto mediante el erro relativo:
N° S% M1 (m^3) M2(m^3) M1-M2 Error%
1 3 8.154E-03 8.405E-03 2.51E-04 3.072 2.8 7.647E-03 8.424E-03 7.77 E-04 10.103 2 7.259E-03 7.685E-03 4.26 E-04 5.864 1.4 6.274E-03 7.724E-03 1.45 E-03 23.11
TABLA 7: Cálculo de los errores en la momenta.
Para las condiciones de los saltos hidráulicos, tendremos que verificar la ecuación (5):
N° S% Y1(m) Y2(m) Y2/Y1 Froud 1 ᴪ(F1)
1 3 0.0573 0.2272 3.96509 3.0703.870333.1374
2 2.8 0.0619 0.2276 3.67689 2.7343.398652.9328
3 2 0.0661 0.2114 3.19818 2.4793.041312.5910
4 1.4 0.0815 0.2123 2.6049 1.8102.10812.1668
TABLA 8: Número de Froud.
Del cual se puede verificar los errores en cada uno de los tirantes:
Y2/Y1 - ᴪ(F1) ERROR %
0.09476 2.3-0.27824 7.5
18 Energía específica y Momenta en Canales
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0.15687 4.90.4968 19.07
TABLA 9: Cálculo de los errores en el número de Froud.
Luego para cada tirante se calcula su energía y la pérdida de energía en cada salto hidráulico, así como el redimensionamiento de la momenta.
antes del asalto después del salto P. de energíaN° S% Y1/b M1 /b^3 Y2/b M2/b^3 E(m)
1 3 0.235 0.5139 0.07262 0.9112 0.5405 0.24499 0.072622 2.4 0.296 0.4296 -0.00757 0.9088 0.5386 0.24448 -0.007573 2 0.329 0.4011 -0.03039 0.9084 0.5383 0.24440 -0.030394 1.4 0.340 0.3939 -0.02327 0.8484 0.4945 0.23193 -0.023275 1.2 0.382 0.3717 -0.01814 0.7416 0.4290 0.21135 -0.018146 1.6 0.333 0.3982 -0.02276 0.8616 0.5037 0.23463 -0.02276
TABLA 10: Cálculo de las pérdidas antes y después del resalto.
6.7 CUESTIONARIO
Graficar la curva de energía especifica vs profundidades antes y después del resalto.
19 Energía específica y Momenta en Canales
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GRAFICO 3: Tirante vs Energía.
Grafica de la Fuerza especifica vs tirante.
20 Energía específica y Momenta en Canales
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GRAFICO 4: Gráfica Fuerza especifica vs tirante.
Grafica adimensional de la fuerza especifica.
21 Energía específica y Momenta en Canales
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GRAFICO 5: Grafica adimensional de la Fuerza especifica.
VII.CONCLUSIONES, OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES
22 Energía específica y Momenta en Canales
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VIII. BIBLIOGRAFÍA
23 Energía específica y Momenta en Canales
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1. CHOW, Ven Te. “Hidráulica de canales abiertos”, Editorial McGraw-Hill Interamericana S.A., Santafé de Bogotá, Colombia 2004.
2. Departamento Académico de Hidráulica e Hidrología. “Guía Práctica de Laboratorio HH224”, Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad Nacional de Ingeniería. Lima 2010.
3. FRENCH, Richard. “Hidráulica de Canales Abiertos”, Editorial McGraw-Hill Interamericana S.A., Santafé de Bogotá, Colombia 1998.
4. ROCHA, Arturo. “Hidráulica de Tuberías y canales”, Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad Nacional de Ingeniería, Lima 2007.
24 Energía específica y Momenta en Canales
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25 Energía específica y Momenta en Canales