UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA

LABORATORIO DE SISTEMAS DE TRANSPORTE Y APROVECHAMIENTO DE FLUIDOS

PRÁCTICA No. 4

FLUJO EN CANALES ABIERTOS

1. INTRODUCCIÓN El flujo en canales abiertos es quizá el fenómeno más común producido en la superficie de la tierra. Se puede dar de manera natural, como las olas de los océanos o las corrientes de los ríos, o de manera artificial, como los flujos en alcantarillas y canales. Sin importar cuál sea el caso. en todas las situaciones el flujo se caracteriza por tener una interfaz entre el aire y la capa superior de fluido, la cual se denomina superficie libre. En esta superficie la presión es generalmente la atmosférica. En la práctica, el fluido más comúnmente transportado en canales abiertos es el agua, aunque los principios teóricos desarrollados para este caso son aplicables a otros fluidos. Una dificultad que se encuentra en el estudio de este fenómeno se presenta porque el flujo es tridimensional. Sin embargo en muchos casos se pueden hacer simplificaciones bidimensionales, y para ciertos casos especiales, como en la presente práctica, se puede realizar un estudio unidimensional.

2. TEMAS DE CONSULTA

Clasificación de los flujos de superficie libre.

Flujo uniforme.

Energía en flujo de canal abierto; flujo sub-crítico, flujo súper-critico.

Condición de estrangulamiento (Venturi y platina de orificio).

Medición de flujo en vertedero con cresta ancha.

Medición de flujo en vertedero rectangular y con muesca en V.

Salto hidráulico y disipación de energía.

Numero de Froude y saltos hidráulicos en canales rectangulares horizontales.

3. IMPLEMENTOS

Vertederos de cresta ancha y de cresta aguda (triangular y rectangular).

Medidor de paletas y manómetro múltiple.

Rotámetro.

Platina de orificio y tubo Venturi.

4. MARCO TEÓRICO

El flujo de agua en un conducto puede ser flujo en canal abierto o flujo en tubería. Estas dos clases de flujos son similares o diferentes en muchos aspectos, pero estos se diferencian en un aspecto importante. El flujo en canal abierto debe tener una superficie libre, en tanto que el flujo en tubería no la tiene, debido a que en este caso el agua debe llenar completamente el conducto. Las condiciones de flujo en canales abiertos se complican por el hecho de que la composición de la superficie libre puede cambiar con el tiempo y con el espacio, y también por el hecho de que la profundidad de flujo el caudal y las pendientes del fondo del canal y la superficie libre son interdependientes. En tuberías la sección transversal del flujo, es fija debida a que está completamente definida por la geometría del conducto. La sección transversal de una tubería por lo general es circular, en tanto que la de un canal abierto puede ser de cualquier forma desde circular hasta las formas irregulares en ríos. Además, la rugosidad en un canal abierto varia con la posición de una superficie libre. Por consiguiente la selección de los coeficientes de fricción implica una mayor incertidumbre para el caso de canales abiertos que para del de tuberías, en general, el tratamiento del flujo en canales abiertos es más difícil de analizar que el correspondiente a flujo en tuberías. El flujo en un conducto cerrado no es necesariamente flujo en tuberías si tiene una superficie libre, puede clasificarse como flujo en canal abierto.

CANALES ABIERTOS Y SUS PROPIEDADES Clases de canales abiertos. Un canal abierto es un conducto en el cual el agua, fluye con una superficie libre. De acuerdo con su origen un canal puede ser natural o artificial. Los canales NATURALES influyen todos los tipos de agua que existen de manera natural en la tierra, lo cuales varían en tamaño desde pequeños arroyuelos en zonas montañosas hasta quebradas, arroyos, ríos pequeños y grandes. Las corrientes subterráneas que transportan agua con una superficie libre también son consideradas como canales abiertos naturales. Las propiedades hidráulicas de un canal natural por lo general son muy irregulares. En algunos casos pueden hacerse suposiciones empíricas razonablemente consistentes en las observaciones y experiencias reales, de tal modo que las condiciones de flujo en estos canales se vuelvan manejables mediante tratamiento analítico de la hidráulica teórica. Los canales artificiales son aquellos construidos o desarrollados mediante el esfuerzo humano: canales de navegación, canales de centrales hidroeléctricas, canales y canaletas de irrigación, cunetas de drenaje, vertederos, canales de desborde, canaletas de madera, cunetas a lo largo de carreteras etc..., así como canales de modelos de laboratorio con propósitos experimentales. Las propiedades hidráulicas de estos canales pueden ser controladas hasta un nivel deseado o diseñadas para cumplir unos requisitos determinados. La aplicación de las teorías hidráulicas a canales artificiales producirán, por tanto, resultados bastantes similares a las condiciones reales y, por consiguiente, son razonablemente exactos para propósitos prácticos de diseño. La canaleta es un canal de madera, de metal, de concreto de mampostería, a menudo soportado en o sobre la superficie del terreno para conducir el agua a través de una depresión. La alcantarilla que fluye parcialmente llena, es un canal cubierto con una longitud compartidamente corta instalado para drenar el agua a través de terraplenes de carreteras o de vías férreas. El túnel con flujo a superficie libre es un canal compartidamente largo, utilizado para conducir el agua a través de una colina o a cualquier obstrucción del terreno. GEOMETRIA DEL CANAL. Un canal con una sección transversal invariable y una pendiente de fondo constante se conoce como canal prismático. De otra manera, el canal es no prismático; un ejemplo es un vertedero de ancho variable y alineamiento curvo. Al menos que se indique específicamente los canales descritos son prismáticos. El trapecio es la forma más común para canales con bancas en tierra sin recubrimiento, debido a que proveen las pendientes necesarias para la estabilidad. El rectángulo y el triángulo son casos especiales del trapecio. Debido a que el rectángulo tiene lados verticales, por lo general se utiliza para canales construidos para materiales estables, como mampostería, roca, metal o madera. La sección transversal triangular sólo se utiliza para pequeñas asqueas, cunetas o a lo largo de carreteras y trabajos de laboratorio. El círculo es la sección más común para alcantarillados y alcantarillas de tamaño pequeño y mediano.

5. PROCEDIMIENTO Descripción del Banco

Experimento #1: CALIBRACIÓN DE MEDIDORES

1. Encienda la bomba 1 y abra lentamente la válvula 3 hasta donde el nivel de mercurio más alto en manómetro del Venturi llegue a 60.

2. Tome la lectura de caudal en el medidor de paletas, la caída de presión de la platina y del Venturi (ΔHventuri y ΔHplatina) en el manómetro múltiple.

3. Repita el proceso disminuyendo el caudal a otro valor. 4. Después de tomados los datos cierre totalmente la válvula 3. 5. Calcule el valor de las constantes Kventuri y Kplatina que permiten calcular el caudal del venturi

y la platina, tal y como se indica en el cálculo tipo.

Experimento #2: MEDICIÓN DE CAUDAL: FLUJO INCOMPRESIBLE

1. abra lentamente la válvula 3 hasta lograr levantar el flotador del rotámetro. 2. Calcule el caudal que pasa por el rotámetro con la ecuación de este (facilitada por el

auxiliar) 3. Tome la lectura de caudal en el medidor de paletas, la medida de la altura en el rotámetro,

la caída de presión de la platina y el venturi (ΔHventuri y ΔHplatina). 4. Mantenga la línea del medidor de paletas con un caudal constante. 5. No mueva la válvula 3, así permanecerá el caudal [lpm] en el medidor de paletas y ubique

con este caudal, cada uno de los vertederos dentro del canal, tome las medidas según se lo indique el auxiliar.

Nota: El procedimiento anterior es válido para cualquiera de los vertederos, teniendo en cuenta que para realizar la medición solo se puede colocar uno a la vez en el canal. 6. Calcule el valor de los diferentes caudales para cada uno de los elementos en la tubería y

del canal teniendo en cuenta las ecuaciones descritas en el cálculo tipo para cada elemento.

7. Cierre la válvula 3.

Experimento #3: OBSERVACIÓN DEL FENÓMENO DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA

1. Baje la compuerta hasta que solo quede una luz de aproximadamente 3 cm entre la base de la compuerta y el fondo del canal.

2. Abra la válvula 2 poco a poco hasta que el medidor de paletas marque 50 lpm. 3. Baje la compuerta muy lentamente hasta que se encuentre cerrada controlando el nivel

de agua antes de la compuerta, de tal manera que el nivel antes de la compuerta suba. 4. Cuando el nivel antes de la compuerta tenga una altura considerable, abra un poco la

compuerta (1 cm aproximadamente). Así se generara un salto hidráulico en el canal. 5. Tome las medidas del caudal, la altura a la salida de la compuerta, la altura del nivel del

después del salto hidráulico y determine la velocidad del flujo aguas arriba del salto. 6. Pruebe lo que sucede si se aumenta o disminuye el caudal (no sobrepase los 55 LPM en el

medidor de paletas). 7. Pruebe lo que ocurre si se sube o baja la compuerta, tenga cuidado que no se desborde el

nivel antes de la compuerta, si esto sucede suba la compuerta o cierre la válvula 2, o si es necesario apague la bomba.

6. CÁLCULOS TIPO

Determinación de las constantes: Para la platina y el Venturi:

Donde: Q=caudal teórico. K=constante del medidor (depende de la geometría, velocidad y viscosidad). ΔH=altura manométrica.

Medición de caudal:

Venturi y platina:

Vertedero cresta ancha:

√

⁄

Donde: b=ancho del canal g=gravedad Y=distancia vertical de la parte superior del vertedero a la superficie libre aguas arriba.

Vertedero rectangular agudo:

√

⁄

Donde:

Cd=0.61+0.08

h=altura del vertedero. d=ancho efectivo del vertedero=b-0.2Y

Vertedero de cresta triangular:

√

⁄

Donde: Cd=0.58 (para agua y 22.5°<θ<120°) θ= Angulo del vertedero = 30⁰

Disipación de energía:

Numero de Froude:

√

Donde: Q=caudal. b=ancho del canal. y=altura aguas arriba del salto hidráulico. NOTA: Para los tipos de saltos hidráulicos ver tabla 10.2 del libro Mecánica de Fluidos - Potter.

7. PREGUNTAS

a) ¿Cuál de los elementos de medición de caudal en tubería presenta mayor recuperación en la caída de presión? Explique el porqué de este comportamiento.

b) Tanto en tubería como en canal abierto, ¿Qué elemento brinda mayor precisión en la medida del caudal?

c) Según el número de Froude encontrado en los cálculos y con la ayuda de la tabla 10.2 determine qué tipo de salto hidráulico se presenta con un caudal de 40 l/min.

d) Observe y explique el fenómeno de disipación de energía cuando se aumenta el ángulo de inclinación del canal.

8. BIBLIOGRAFÍA

ÇENGEL, Yunus A. y CIMBALA, John M. Mecánica de fluidos, fundamentos y aplicaciones. México: McGraw-Hill, 2006.

MOTT, Robert L. Mecánica de fluidos aplicada. 4 ed. México: Prentice Hall, 1996.

POTTER, Merle C y WIGGERT, David C. Mecánica de Fluidos. 2 ed. México: Prentice Hall, 1998.

CHOW, Ven Te. Hidráulica de canales abiertos. Bogotá: McGraw-Hill, 1994.