fluidos diseño de canales

UNIVERSIDAD PRIVADA ANTENOR ORREGO

FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

INTRODUCCION

Entre todos los recursos naturales, el más importante para el bienestar de la

humanidad es el agua. Durante milenios constituyo un patrimonio enteramente

disponible del que los habitantes de la Tierra se servían despreocupadamente.

Son obras de ingeniería de gran importancia, por lo tanto deben ser

cuidadosamente planificadas para no provocar daños al medio ambiente y para

que se gaste la menor cantidad de agua posible.

Los canales son conducciones naturales y artificiales en las que el agua circula

debido a la acción de la gravedad, sin presión, es decir en contacto continuo

con la atmósfera. No se produce gasto energético.

Los canales tienen la finalidad de conducir los caudales de captación desde la

obra de toma hasta el lugar de carga o distribución, de acuerdo a la naturaleza

del proyecto y en condiciones que permitan transportar los volúmenes

necesarios para cubrir la demanda.

La descripción del comportamiento hidráulico de los canales es una parte

fundamental de la hidráulica y su diseño pertenece al campo de la ingeniería

hidráulica, una de las especialidades de la ingeniería civil.

https://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%A1ulica

https://es.wikipedia.org/wiki/Ingenier%C3%ADa_hidr%C3%A1ulica

https://es.wikipedia.org/wiki/Ingenier%C3%ADa_hidr%C3%A1ulica

https://es.wikipedia.org/wiki/Ingenier%C3%ADa_civil




OBJETIVOS

Medir el caudal del fluido que pasa a través del canal.

Emplear la técnica del vertedero para determinar el caudal del flujo (agua).

MARCO TEORICO

CANAL:

Los canales son conductos abiertos o cerrados en los cuales el agua circula

debido a la acción de la gravedad y sin ninguna presión, pues la superficie libre

del líquido está en contacto con la atmósfera; esto quiere decir que el agua fluye

impulsada por la presión atmosférica y de su propio peso.

CLASIFICACION DE CANALES

De acuerdo con su origen los canales se clasifican en:

a) Canales naturales:

Incluyen todos los cursos de agua que existen de manera natural en

la tierra, los cuales varían en tamaño desde pequeños arroyuelos en

zonas montañosas, hasta quebradas, ríos pequeños y grandes,

arroyos, lagos y lagunas.




b) Canales artificiales:

Los canales artificiales son todos aquellos construidos o desarrollados

mediante el esfuerzo de la mano del hombre, tales como: (canales de

riego, de navegación, control de inundaciones, canales de centrales

hidroeléctricas, canales de modelos construidos en el laboratorio,

etc.). Los canales artificiales usualmente se diseñan con forma

geométricas regulares (prismáticos), un canal construido con una

sección transversal invariable y una pendiente de fondo constante se

conoce como canal prismático. El término sección de canal se refiere

a la sección transversal tomado en forma perpendicular a la dirección

del flujo.

Las secciones transversales más comunes son las siguientes:




SECCIONES ABIERTAS

Sección trapezoidal: Se usa en canales de tierra debido a que

proveen las pendientes necesarias para estabilidad, y en canales

revestidos.

Sección rectangular: Debido a que el rectángulo tiene lados

verticales, por lo general se utiliza para canales construidos con

materiales estables, acueductos de madera, para canales excavados

en roca y para canales revestidos.

Sección triangular: Se usa para cunetas revestidas en las

carreteras, también en canales de tierra pequeños, fundamentalmente

por facilidad de trazo. También se emplean revestidas, como

alcantarillas de las carreteras.

Sección parabólica: Se emplea en algunas ocasiones para canales

revestidos y es la forma que toman aproximadamente muchos

canales naturales y canales viejos de tierra.

SECCIONES CERRADAS

Sección circular: El círculo es la sección más común para

alcantarillados y alcantarillas de tamaños pequeño y mediano.

Sección parabólica: Se usan comúnmente para alcantarillas y

estructuras hidráulicas importantes




.

ELEMENTOS GEOMÉTRICOS DE LOS CANALES

Los elementos geométricos son propiedades de una sección de canal que

pueden ser definidos por completo por la geometría de la sección y la

profundidad del flujo. Estos elementos son muy importantes y se utilizan con

amplitud en el cálculo de flujo. Para secciones de canal regulares y simples,

los elementos geométricos pueden expresarse matemáticamente en

términos de la profundidad de flujo y de otras dimensiones de la sección.




Tirante de agua o profundidad de flujo “d”: Es la distancia vertical

desde el punto más bajo de una sección del canal hasta la superficie

libre, es decir la profundidad máxima del agua en el canal.

Ancho superficial o espejo de agua “T”: Es el ancho de la superficie

libre del agua, en m.

Talud “m”: Es la relación de la proyección horizontal a la vertical de la

pared lateral (se llama también talud de las paredes laterales del canal).

Es decir “m” es el valor de la proyección horizontal cuando la vertical es

1, aplicando relaciones trigonométricas. Es la cotangente del ángulo de

reposo del material (Θ), es decir m=x/d y depende del tipo de material

en que se construya el canal, a fin de evitar derrumbes.

Coeficiente de rugosidad (n): Depende del tipo de material en que se

aloje el canal (ver Tabla 2).

Pendiente (S): Es la pendiente longitudinal de la rasante del canal.

Área hidráulica (A): Es la superficie ocupada por el agua en una sección

transversal normal cualquiera, se expresada en m2.

Perímetro mojado (P): Es la longitud de la línea de contorno del área

mojada entre el agua y las paredes del canal, (línea resaltada Fig. 6),

expresado en m.




Radio hidráulico (R): Es el cociente del área hidráulica y el perímetro

mojado. R=A/P, en m.

Ancho de la superficial o espejo del agua (T): Es el ancho de la

superficie libre del agua, expresado en m.

Tirante medio (dm): Es el área hidráulica dividida por el ancho de la

superficie libre del agua. dm=A/T, se expresa m.

Libre bordo (Lb): es la distancia que hay desde la superficie libre del

agua hasta la corona del bordo, se expresa en m.

Gasto (Q): es el volumen de agua que pasa en la sección transversal

del canal en la unidad de tiempo, y se expresa en m3/s.

Velocidad media (V): es con la que el agua fluye en el canal, expresado

en m/s.

CAUDAL:

En dinámica de fluidos, caudal es la cantidad de fluido que circula a través de

una sección del ducto (tubería, cañería, oleoducto, río, canal, entre otros) por

unidad de tiempo.

Normalmente se identifica con el flujo volumétrico o volumen que pasa por un

área dada en la unidad de tiempo. Menos frecuentemente, se identifica con el

flujo másico o masa que pasa por un área dada en la unidad de tiempo.

Q=A.V

Q=V/T




VERTEDERO:

Es una estructura hidráulica destinada a propiciar el pase, libre o controlado, del

agua en los escurrimientos superficiales, siendo el aliviadero en exclusiva para

el desagüe y no para la medición.

Vertedero como elemento de canal:

Los vertederos se usan conjuntamente con las compuertas para mantener un río

navegable o para proveer del nivel necesario a la navegación.

Los vertederos permiten a los hidrólogos un método simple para medir el caudal

en flujos de agua.

Los vertederos son muy utilizados en ríos para mantener el nivel del agua y ser

aprovechado como lagos, zona de navegación y de esparcimiento.

AFORO:

La exactitud en la determinación de las dimensiones de un tanque es un factor

muy importante para la determinación del volumen del líquido si tenemos en

cuenta las consecuencias que tienen las mediciones incorrectas en una tabla de

capacidad errónea, la cual puede permanecer en uso durante un largo periodo

de tiempo antes de que sea advertido el error.

Las diferencias en la tabla de capacidad originan errores en la contabilización de

los contenidos del tanque, y por tanto, que las transacciones comerciales y pagos

están sujetos a litigios y discusiones.

Los problemas que se plantean por estos errores son muy difíciles, y a veces,

imposibles de resolver sin pérdidas por una de las partes involucradas. Como

resulta tan importante el método de medición y el grado de exactitud empleados

al determinar la cantidad de petróleo contenido en el tanque, estas mediciones

deben ser presenciadas por todas las partes interesadas en determinar las

existencias de crudo.




MATERIALES E INSTRUMENTOS

Agua Potable

Figuras de Papel

Vertedero

Wincha

Motor

Tico

Manguera

Nivel de mano




PROCEDIMIENTO

Para iniciar debemos llenar, con ayuda de la manguera, el tanque

cilíndrico con agua.




Establecer y registrar una pendiente para el canal, con un nivel y una

regla, obteniendo la horizontal y vertical.

Tomar medidas de los vertederos, sea la base en el rectangular, y el

largo y altura del triangular para encontrar el Angulo.




Encender la bomba hidráulica para el recorrido del agua.

Dejamos que el fluido pase el canal y llene el vertedero, para tomar las

medidas de este.




Una vez que tengamos una corriente constante, ponemos los papelitos

en el fluido para poder tomar los tiempos de su desplazamiento y así

determinar el caudal.

CALCULOS

MEDICIÓN DE CANALES AFOROS

Manning

Fórmulas

Caudal: 𝑸 =𝑨𝑹𝟐/𝟑𝑺𝟏/𝟐

𝒏

Radio Hidraúlico: 𝑹 =𝑨

𝑷

Área Mojada: 𝑨 = 𝒃𝒚

Perímetro Mojado: 𝑷 = 𝒃 + 𝟐𝒚




Datos

Base (b) = 42.5 cm 0.425 m

Tirante (y) = 2 cm 0.02 m

Rugosidad (n) 0.009

Pendiente (s) 0.0010

Solución

𝑨 = 𝒃𝒚 = 0.425𝑥0.02 = 0.0085 𝑚2

𝑷 = 𝒃 + 𝟐𝒚 = 0.425 + 2(0.02) = 0.465 𝑚

𝑹 =𝑨

𝑷=

0.0085

0.465= 0.0183 𝑚

Reemplazamos:

𝑸 =𝑨𝑹𝟐/𝟑𝑺𝟏/𝟐

𝒏=

0.0085(0.01832/3)(0.00101/2)

0.009= 2.074𝑥10−3 𝑚3/𝑠

Por Vertedero

Datos

L = 20.2 cm 0.202 m

h = 10.6 cm 0.106 m

L

H




H = 34.5 cm 0.345 m

Hallando 𝜽

𝟐 𝐭𝐚𝐧−𝟏(𝑳

𝟐÷ 𝑯) 𝟐 𝐭𝐚𝐧−𝟏(

𝟐𝟎.𝟐

𝟐÷ 𝟑𝟒. 𝟓) = 32.64°

Cuando 𝜽 = 𝟗𝟎° 𝑸 = 𝟏. 𝟒 𝒉𝟓/𝟐

Pero 𝜽 = 𝟑𝟐. 𝟔𝟒° . Por lo tanto utilizaremos la regla de tres simple para hallar la

ecuación de patronamiento.

1.4 ----------------- 90

X --------------- 32.64

X = 0.5077

Por lo tanto:

𝑸 = 𝟎. 𝟓𝟎𝟕𝟕 𝒉𝟓/𝟐

Reemplazamos:

𝑸 = 𝟎. 𝟓𝟎𝟕𝟕 (𝟎. 𝟏𝟎𝟔𝟓𝟐) = 𝟏. 𝟖𝟓𝟕𝒙𝟏𝟎−𝟑 𝒎𝟑/𝒔

Por Flotador

Formulas

𝑽 =𝒅

𝒕 𝒎/𝒔 𝑸 = 𝑽𝑨 𝒎𝟑/𝒔

Datos

Lanzamiento Tiempo(s)

L1 7.48

L2 6.93

L3 7.32

L4 7.03

L5 6.90

L6 7.57

L7 7.62

L8 6.80




Promedio del tiempo = 7.244 s

Longitud = 2.11 m

Base = 42.7 cm

Procedimiento

Promedio de Área = 72.59 cm2 -> 0.007259 m2

Reemplazamos

𝑽 =𝒅

𝒕=

𝟐. 𝟏𝟏

𝟕. 𝟐𝟒𝟒= 𝟎. 𝟐𝟗𝟏 𝒎/𝒔

𝑸 = 𝑽𝑨 = 𝟎. 𝟐𝟗𝟏 (𝟎. 𝟎𝟎𝟕𝟐𝟓𝟗) = 𝟐. 𝟏𝟏𝟐𝒙𝟏𝟎−𝟑 𝒎𝟑/𝒔

RESULTADOS

L9 7.87

L10 6.92 Tirante Dimensión(cm)

1 1.9

2 1.8

3 1.6

4 1.5

BASE(cm) Tirante ÁREA cm2

1 42.7 1.9 81.13

2 42.7 1.8 76.86

3 42.7 1.6 68.32

4 42.7 1.5 64.05

RESULTADOS MANNING VERTEDERO FLOTADOR

Cauda (Q) (𝒎𝟑/s) 2.074𝑥10−3 1.857𝑥10−3 2.112𝑥10−3




CONCLUSIONES

El ensayo de laboratorio nos muestra el comportamiento del agua en un

prisma, con un caudal controlado y varias medidas ideales para su estudio.

Se nota la variación de error al momento de obtener los resultados del

caudal en los distintos métodos utilizados.

El diseño de canales depende de las necesidades del interperismo.

El tipo de material (vidrio) influye en la velocidad del flujo de agua debido

a su coeficiente de rugosidad de valor conocido por la tabla de Manning

n=0,009.

BIBLIOGRAFIA

CHANSON, Hubert. Hidráulica del flujo en canales abiertos. McGraw –

Hill, Colombia, 2002. 560 p.

CANO GALLEGO, Rodrigo. Flujo en tuberías y canales. Medellín: Anales

de la Facultad Nacional de Minas. No 61, 1985. 143 p.

CRANE, División de Ingeniería. Flujo de fluidos en válvulas, accesorios y

tuberías. México: McGraw Hill, 1992. 198 p.

CHOW, Ven Te. Hidráulica de canales abiertos. Santafé de Bogotá:

McGraw Hill, 1994. 667 p.

fluidos diseño de canales

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