E.F.P. Ingeniera Civil

E.F.P. Ingeniera Civil Mecnica de Fluidos II IC-348

I. ASPECTOS GENERALES

1. NOMBRE DEL PROYECTO:

CONSTRUCCIN DE CANAL TRAPEZOIDAL PARA EL LABORATORIO DE MECNICA DE FLUIDOS II DE LA ESCUELA DE FORMACIN PROFESIONAL DE INGENIERA CIVIL

2. UBICACIN POLITICA Y GEOGRAFICA:

REGION:Ayacucho.DEPARTAMENTO:Ayacucho.PROVINCIA:Huamanga.DISTRITO:Ayacucho. LUGAR:Ciudad Universitaria.(Laboratorio de Mecnica de Fluidos)

3. AREAS DE INFLUENCIA:

Alumnos, Docentes y Personal Tcnico de la Facultad de Ingeniera de Minas, Geologa y Civil de la Universidad Nacional de San Cristbal de Huamanga.

4. MARCO DE REFERENCIA:

El Proyecto se consider como una prioridad urgente por parte del docente, conjuntamente con los alumnos del curso de Mecnica de Fluidos II - 2014 debido a que hasta la fecha no se cuenta con un laboratorio de Hidrulica debidamente implementado, y slo se tiene la Infraestructura sin la red de agua potable instalada, por lo tanto hubo la necesidad de construir el canal de seccin trapezoidal para realizar las actividades acadmicas como de investigacin por los docentes y Estudiantes de la Facultad y otras Escuelas.La Hidrulica es una rea muy importante dentro del campo de la Ingeniera; es fascinante ver como producto de la imaginacin con el apoyo de las ciencias y los equipos utilizados en la hidrulica, emerge calculando caudales, estudio de flujo de fluidos, entre otros. Como la calidad de la ingeniera est ntimamente ligada a su competencia para crear objetos exitosos, ello tiene su origen y sustento en la formacin; slo se lograr aumentar la calidad de la ingeniera cuando se asocien la teora con la prctica.

II. IDENTIFICACION DEL PROYECTO:

1. DEFINICION DEL PROBLEMA:

El problema radica en la falta de implementacin de equipos para el desarrollo ptimo de los Laboratorios de Mecnica de Fluidos II ya que el Laboratorio de Hidrulica Mecnica de Fluidos solo cuenta con una infraestructura, maquetas y algunos equipos pequeos elaborados por los propios alumnos de la escuela de Ingeniera Civil.

2. POBLACION AFECTADA O BENEFICIARIA:

Los directamente afectados son los estudiantes y docentes de la Facultad de Ingeniera de Minas, Geologa y Civil, Ingeniera Agrcola, Agronoma que actualmente no cuentan con un Laboratorio de Hidrulica implementado y necesario para realizar las prcticas de laboratorio, efecto que se expresa en falta de una dinmica de trabajo eficiente para realizar investigaciones y trabajos de proyeccin social a las comunidades de la regin realizando estudios mediante ensayos con la corriente de agua.

3. OBJETIVOS DEL PROYECTO:

Objetivo General:

Mejorar el aprendizaje terico prctico de los alumnos de Ingeniera Civil y otras Escuelas profesionales en el desarrollo del curso de Mecnica de Fluidos.

III. MARCO TEORICO:

El lquido que fluye en los canales tiene una superficie libre y sobre l no acta otra presin que la debida a su propio peso y a la presin atmosfrica. El flujo en canales abiertos tambin tiene lugar en la naturaleza, como en ros, arroyos, etc., en general con secciones rectas de cauces irregulares. De forma artificial creadas por el hombre, tienen lugar los canales, acequias y canales de desage, en la mayora de los casos los canales tienen secciones rectas regulares y suelen ser rectangulares, triangulares o trapezoidales.El propsito de la prctica de laboratorio fue determinar el flujo en los canales de forma trapezoidal y rectangular adems de realizar otras mediciones como la superficie libre, la profundidad, teniendo en cuenta la velocidad y el tiempo.

Vertederos hidrulicos

Los vertederos son estructuras que tienen aplicacinmuy extendida en todo tipode sistemas hidrulicos y expresan una condicin especial de movimiento no uniforme en un tramo con notoria diferencia de nivel.Normalmente desempean funciones de seguridad y control.

Se llama vertedero a la estructura hidrulica sobre la cual se efectauna descarga a superficie libre. El vertedero puede tener diversas formas segn las finalidades a las que se destine. Si la descarga se efecta sobre una placa con perfil de cualquier forma pero de arista aguda, el vertedero se llama de pared delgada; cuando la descarga se realiza sobre una superficie, el vertedero se denomina de pared gruesa.Ambos tipos pueden utilizarse como dispositivos de aforo en el laboratorio o en canales de pequeas dimensiones. El vertedero de pared gruesa se emplea adems como obra de control o de excedencias en una presa y como aforador en grandes canales.

Funciones del vertedero

Un vertedero puede tener lassiguientes funciones: Lograr que el nivel de agua en una obra de toma alcance elnivel de requerido para el funcionamiento de la obra deconduccin. Mantener un nivel casi constante aguas arriba de una obra de toma, permitiendo que el flujo sobre el coronamiento del vertedero se desarrolle con una lmina lquida de espesor limitado. En una obra de toma, el vertedero se constituye en el rgano de seguridad de mayorimportancia, evacuando las aguas en excesogeneradas durante los eventos de mximas crecidas. Permitir el control del flujo en estructuras de cada, disipadores de energa, transiciones, estructuras de entrada y salida en alcantarillas de carreteras, sistemas de alcantarillado, etc.

Clasificacin:

Los vertederos pueden ser clasificados de variasformas:

Por su localizacin en relacin a la estructura principal:

Vertederos frontales Vertederos laterales Vertederos tulipa; este tipo de vertedero se sita fuera de la presa y la descargapuede estar fuera del cauce aguas abajo

Desde el punto de vista de los instrumentos para el control del caudal vertido:

Vertederos libres, sin control. Vertederos controlados porcompuertas.

Desde el punto de vista de la pared donde se produce el vertimiento:

Vertedero de pared delgada Vertedero de pared gruesa Vertedero con perfil hidrulico

Desde el punto de vista de la seccin por la cual se da el vertimiento:

Rectangulares Trapezoidales Triangulares Circulares Lineales, en estos el caudal vertido es una funcin lineal del tirante de agua sobre la cresta Desde el punto de vista de su funcionamiento , en relacin al nivel aguas abajo:

Vertedero libre, no influenciado por el nivel aguas abajo Vertedero ahogado

Vertederos de pared delgada (Sharpcrested weirs)

La utilizacin de vertederos de pared delgada est limitada generalmente a laboratorios, canalespequeos y corrientes que no llevenescombros y sedimentos. Los tipos ms comunes son el vertedero rectangular y el triangular. La cara de aguas arriba debe ser instalada verticalmente y el borde de la placa debe estar cuidadosamente conformado. La estructura delgada est propensa a deteriorarse y con el tiempo la calibracin puede ser afectada por la erosin de lacresta. El vertedero triangular es preferido cuando las descargas son pequeas, porque la seccin transversal de la lmina vertiente muestra de manera notoria la variacin en altura. La relacin entre la descarga y la altura sobre la cresta delvertedero, puede obtenerse matemticamente haciendo las siguientes suposiciones delcomportamiento del flujo:

1. Aguas arriba del vertedero el flujo es uniforme y la presin vara con la profundidad de acuerdo con la hidrosttica (p=gh).2.La superficie libre permanece horizontal hasta el plano del vertedero y todas las partculas que pasan sobre el vertedero se mueven horizontalmente (en realidad la superficie libre cae cuando se aproxima al vertedero).

3.La presin a travs de la lmina de lquido o napa que pasa sobre la cresta delvertedero es la atmosfrica.

4.Los efectos de la viscosidad yde la tensin superficialson despreciables. Estas suposiciones conducen al siguiente modelo deflujo ideal:

Ecuacin para un vertedero rectangular de pared delgada:

Aplicando la ecuacin de Bernoulli entre los puntos 1 y 2 sobre una misma lnea de corriente, se obtiene:

Un coeficiente Cd determinado experimentalmente, se involucra para considerar el uso de las suposiciones,Entonces: Cd es conocido como Coeficiente deDescarga.Un vertedero rectangular sin contraccin es aquel cuyo ancho es igual al del canal de aproximacin. Para este tipo de vertedero es aplicable la frmula de Rehbock para hallar el valor de Cd:

Donde p es la altura de la cresta del vertedero medida desde elpiso del canal.

Un vertedero rectangular con contraccin es aquel en el cual el piso y los muros del canal estn lo suficientemente alejados del borde del vertedero y por lo tanto no influyen en el comportamiento del flujo sobre l. Para este tipo de vertedero es aplicable la frmula de HamiltonSmith para hallar el valor de Cd:

Ecuacin para un vertedero triangular de pared delgada:Siguiendo el mismo procedimiento anterior y despreciando el valor de v1/2g puesto que el canal de aproximacin es siempre ms ancho que el vertedero, se obtiene la descarga a travs de

Condiciones de flujo adoptadas para la Frmula De PoleniWeisbach:Considerando la Ecuacin de la Energa, a lo largo de una lnea de flujo se presenta un incremento de la velocidad y correspondientemente una cada del nivel de agua. En el coronamiento del vertedero queda el lmite superior del chorro lquido, por debajo del espejo de agua, con una seccin de flujo menor al asumido por PoleniWeisbach.

Ecuacion de Bernoulli

Cada partcula de agua tiene una velocidad real (u), una cota (Z), una presin (P), una temperatura y produce un cierto ruido. Para nuestros fines, pueden despreciarse estas dos ltimas propiedades, que son intercambiables. Las otras se pueden expresar, en forma de energa, del siguiente modo:

+PU = Energa cintica, por unidad de volumenP= Energa debida a la presin, por unidad de volumenpgZ = Energa potencial, por unidad de volumen

Donde:p = Densidad del fluidog= Aceleracin de la gravedad.

La expresin de estas energas en kg/ms2 o en Newton/m2 no es prctica en la ingeniera. Por esta razn generalmente se supone que la densidad es constante (p = 1.000 kglm) y que la aceleracin de la gravedad no cambia en la Tierra (g = 9,81 m/s2), por lo que las expresiones anteriores de la energa se pueden dividir por pg, expresndose entonces por unidad de peso en funcin de la profundidad del agua o carga (m), es decir:

U2/2g=Carga de velocidad

P/Pg= Carga de presin

Z= Carga de cota

En la figura 1 se muestran los tres componentes de la carga de una partcula de agua situada en la posicin I.

Adems de las tres cargas mencionadas, generalmente se utilizan las expresiones siguientes:

P/Pg + Z= Carga piezomtrica yE= Carga energtica total de la partcula de agua.

La carga energtica total y la carga por elevacin, Z, se refieren al mismo nivel deComparacin y, por lo tanto, para la partcula de agua en la posicin 1, puede escribirse:

Ecuacin 1

La carga energtica total de la partcula de agua en la posicin 2 es igual a:

Ecuacin 2

Si la distancia entre 1 y 2 es pequea y las prdidas de energa debidas al rozamiento y a la turbulencia son despreciables, puede suponerse que E2 es igual a E, y, por lo tanto, que:

Ecuacin 3

Hay que tener en cuenta que cada partcula de agua fluye con una velocidad diferente, (u), en cada posicin y puede tener SU propia carga energtica. Las Ecuaciones 1 a 3 son expresiones alternativas de la conocida ecuacin de Bernoulli y son vlidas a lo largo de una lnea de corriente.

Por definicin, no existe movimiento de la partcula de agua en direccin perpendicular a una lnea de corriente recta. Por tanto, la componente de SU energa cintica en esta direccin es nula, mientras que sus energas de presin y potencial son independientes de la direccin de la corriente. Por esta razn la distribucin de la presin en sentido perpendicular a las lneas de corriente rectas y paralelas es la misma que en el agua en reposo (Figura 2).

Figura 1. Energa de una partcula de fluido en corriente constante.

Figura 2.Distribucin de la presin hidrosttica en sentido perpendicular a las lneas de corriente, supuestas rectas y paralelas.

Ecuacin 4

La presin en la superficie del agua libre de un canal abierto es igual a la presinatmosfrica, que se toma como presin de referencia. Por tanto, PI = O, mientrasque ZI = y. Sustituyendo estos valores en la Ecuacin 4 se obtiene:

Ecuacin 5

O

Ecuacin 6

Esta presin se puede calcular en cualquier punto y en la Figura 2 se muestra suVariacin. Esta distribucin de presin rectilnea (o lineal) se llama hidrosttica.

Si las lneas de corriente no son rectas, y la partcula de agua de volumen unitario sigue una trayectoria curva, de radio r, con una velocidad real, u, dicha partcula estar sometida a una aceleracin centrpeta, u2/r (ver la Figura 3).Esta aceleracin centrpeta siempre acta perpendicularmente a la direccin de la velocidad y hacia el centro de curvatura. La aceleracin centrpeta origina un gradiente de presin, en el que la variacin de la presin, AP, en un incremento de la distancia radial, Ar, es igual a:Ecuacin 7

En este caso de curvatura hacia abajo, la aceleracin centrpeta reduce el efecto de la gravedad y, consecuentemente, la presin es menor que la hidrosttica (ver la Figura 4. Si se sigue la lnea desde la posicin 1, por la 2, hasta la 3 , se observa que la prdida relativa de energa de presin se compensa con un aumento de la energa cintica (incremento de u).

El efecto de la fuerza centrpeta en la distribucin de la presin y de la velocidad, depende de la velocidad de la corriente, (u) y del radio del crculo local de curvatura de la lnea de corriente, (r), en la posicin considerada. Este ltimo es especialmente difcil de medir, por lo que el clculo del caudal en la seccin de control, de 1 a 3 es largo e impreciso.

Figura 3 Aceleracin centrpeta.

Figura 4. Influencia de la curvatura de las lneas de corriente sobre la distribucin de la presin.

Si una lnea de corriente fuese curva como la de la Figura 4 y otra contigua estuviese en un plano perpendicular al papel, l a red de flujo seria tridimensional y el caudal no podra calcularse con la teora existente. Por ejemplo, este modelo de flujo se da en una seccin de control y en una garganta que es corta en relacin con la carga aguas arriba con respecto al resalto.

Para calcular la distribucin de la presin y de la velocidad en la seccin de controldel aforador, la longitud de la garganta debe ser suficiente para que las lneas de corriente Sean prcticamente rectas y paralelas entre s en dicha seccin. Esta condicin puede suponerse si la carga aguas arriba referida al resalto es menos de la mitad de la longitud de la garganta.

Segn la Ecuacin 5 la carga energtica total de una partcula de agua puede expresarse como la suma de tres tipos de carga:

Ecuacin 8

Ahora se quiere aplicar esta expresin a la energa total de todas las partculas de agua que atraviesan una seccin transversal completa de un canal. Entonces, se necesita expresar la carga de velocidad en funcin de la velocidad media de todas las partculas de agua que pasan por la seccin transversal. Esta velocidad media no puede medirse directamente porque las velocidades no se distribuyen uniformemente sobre la seccin transversal del canal. En la Figura 7.7 se muestran dos ejemplos de distribucin de la velocidad para secciones de canal de forma diferente. Por tanto, la velocidad media es una velocidad calculada, que viene definida por la ecuacin de continuidad:

Ecuacin 9

La verdadera carga de velocidad media, (U2/2g), no ser necesariamente igual a v2/2g, debido a que la distribucin de la velocidad, u, en la seccin transversal no es uniforme. Por esta razn se introduce un coeficiente de distribucin de velocidad,

Ecuacin 10

EI coeficiente de distribucin de velocidad es igual a 1,0 cuando todas las velocidades, u, son iguales y aumenta a medida que la distribucin de la velocidad es menos uniforme. Para canales de aproximacin rectos los valores de a varan de 1,03 a 1,10; para secciones de control situadas en gargantas largas el valor es menor de 1,01. Puesto que en muchos casos la carga de velocidad es pequea en relacin con la carga piezomtrica, se puede utilizar un valor de ci1 = 1,04, sin cometer un error apreciable en la determinacin de la carga total.

La variacin de los otros dos trminos de la Ecuacin 7.10 depende de la curvatura de las lneas de corriente. Estas son rectas y paralelas en las dos secciones del canal consideradas, es decir, en las secciones de aforo y de seccin de control. Por tanto, segn la Ecuacin 9, la suma de las cargas, por altura y por presin, es constante en todos los puntos de ambas secciones. Dicho de otro modo,

Ecuacin 11

para todos los puntos, tanto de la seccin de aforo como de la de control y, dadoque en la superficie del agua, P = O, el nivel piezomtrico de las dos secciones coincide con los niveles locales del agua. Segn esto, para la seccin de aforo, se puede escribir (ver la Figura 6):

Figura 5. Ejemplos de distribucin de la velocidad en dos secciones de canal.ica

Figura 6. Niveles de energa en la estacin milimtrica y en la seccin de control.

En la seccin de control la carga total de energa es igual a:

Ecuacin 13

En el corto tramo de aceleracin entre las dos secciones, puede suponerse que las prdidas de energa, debidas al rozamiento y a la turbulencia, son despreciables. Por lo tanto, puede suponerse que HI = H, es decir,

Ecuacin 14

La Ecuacin14 es una variante de la de Bernoulli, vlida para el tramo de canal descrito anteriormente (ver la Figura 6).

CONCLUSION

La construccin del canal servir para los estudiantes que lleven los cursos de mecnica de fluidos y cursos afines.

La elaboracin de los laboratorios en canales ser de manera ms eficiente y con una aproximacin a los canales reales.

PLANOS DEL PROYECTO:

PROCEDIMIENTO DE LA CONSTRUCCION:

Ubicacin de la construccin:

Ubicacin del canal a construir

Encofrado de canal:

Verificacin del vaciado del canal:

Vaciado de canal con concreto, pozas a base de ladrillo artesanal asentados con mortero.

Canal acabado:

Canal revestido

PROYECTO: CONSTRUCCIN DE CANAL TRAPEZOIDAL PARA EL LABORATORIO DE MECNICA DE FLUIDOS II DE LA ESCUELA DE FORMACIN PROFESIONAL DE INGENIERA CIVIL