guia laboratorio hh-224

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA - FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE HIDRÁULICA E HIDROLOGÍA

GUÍA PRÁCTICA DE LABORATORIO HH-224

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REGLAMENTO DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS II

NORMAS GENERALES

Capítulo I: INTRODUCCION

1. La enseñanza de la Ingeniería en todas sus ramas siempre conlleva a la

experimentación como complemento a la teoría impartida en aula. La

realización de una experimentación en laboratorio, obliga al estudiante a

la elaboración de un informe con la adecuada interpretación de los

resultados, así como la predicción de valores según el comportamiento

del equipo usado, siendo esto el reflejo del entendimiento cabal de todo

el proceso seguido. El informe debe evidenciar el nivel académico

alcanzado, así como las cualidades personales del autor.

2. La presentación del informe de laboratorio debe someterse a ciertas pautas

lógicas y comunes, además de procurarse una correcta redacción observando

debidamente las reglas del idioma español y un estilo agradable.

Capítulo II: OBJETIVO

3. El presente reglamento tiene por finalidad orientar y normar el desarrollo

de las actividades correspondientes a las experiencias de laboratorio

programadas para las asignaturas de “Mecánica de Fluidos I y II”. Es

obligación de los profesores, jefes de práctica e instructores de laboratorio

velar por el cumplimiento del mismo.

Capítulo III: DE LA INSCRIPCIÓN

4. La inscripción a los laboratorios se realizará la tercera semana de

iniciadas las actividades académicas. Con ese fin, se publicará en el

panel del Departamento Académico de Hidráulica e Hidrología las fechas

de inscripción, los horarios disponibles para el desarrollo de prácticas, y el

calendario de prácticas de laboratorio del semestre.

5. La inscripción se realizará en la Secretaría del Departamento Académico

de Hidráulica e Hidrología por grupos de tres (3) o cuatro (4) alumnos

pertenecientes a una misma sección, los cuales se mantendrán a lo largo

de todo el semestre.

6. Al momento de la inscripción, los alumnos firmarán el formato

correspondiente donde se comprometen a realizar las prácticas en las

fechas y horas que libremente han elegido de acuerdo al calendario

programado.

7. Cada turno-horario se integrará como máximo de 12 alumnos y como

mínimo de 9. Los horarios disponibles de Lunes a Viernes son:




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- 8:00 a 10:00 horas

- 10:00 a 12:00 horas

- 12:00 a 14:00 horas

8. Los horarios serán llenados en estricto orden de llegada y no se permitirá

un número mayor de alumnos por horario que el estipulado en el ítem

anterior.

9. Una vez formalizada su inscripción, el grupo de alumnos está obligado a

asistir al laboratorio en el horario elegido. No se permitirá realizar ninguna

re-inscripción y/o cambio de horario.

10. El primer día útil de la cuarta semana de actividades académicas se

procederá a inscribir a los alumnos rezagados, dándose por finalizado el

proceso de inscripción.

11. Los alumnos que no llegaran a inscribirse perderán el derecho a participar

en las prácticas de laboratorio, y automáticamente obtendrán la

calificación de “cero” (00).

Capítulo IV: DE LAS EXPERIENCIAS DE LABORATORIO

12. Cada programa de experiencias de laboratorios será planificado

conjuntamente por los profesores y jefes de práctica de la asignatura, y los

instructores de laboratorio, quienes determinarán su número y los temas

correspondientes.

13. La duración de cada experiencia es de 1 hora y 45 minutos, a desarrollarse

de acuerdo al horario elegido por los estudiantes y en las fechas

programadas al inicio de cada semestre.

14. Las experiencias de laboratorio se dividen en dos partes: la explicación

teórica, a cargo del instructor, y la experimentación propiamente dicha,

con participación activa de los estudiantes.

Capítulo V: DEL CONTROL DE ASISTENCIA EN EL LABORATORIO

15. La asistencia de los estudiantes a sus prácticas de laboratorio considerará

un máximo de 15 minutos de tolerancia como tardanza; transcurrido ese

plazo, se considerará inasistencia y se anotará la palabra “INASISTENCIA”

en la hoja de control de asistencia, perdiendo todo derecho a la

evaluación correspondiente.

16. La tolerancia para los profesores es la misma que para los estudiantes. En

caso de inasistencia del profesor, los estudiantes procederán a firmar la

lista de asistencia y dejarla en la Secretaría del Departamento Académico

de Hidráulica e Hidrología.

17. Los alumnos que no asistan al horario asignado para su práctica de

laboratorio por motivos de salud comprobados, se les permitirá

reprogramar y recuperar la experiencia por una única vez en el semestre

previa presentación de solicitud dirigida a la Coordinación de Laboratorios




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y adjuntando medios probatorios.

18. Bajo ningún caso, la Secretaría del Departamento Académico de

Hidráulica e Hidrología aceptará solicitudes de recuperación que no se

enmarquen dentro de lo estipulado en el ítem anterior.

19. Las recuperaciones aceptadas por la Coordinación de Laboratorios se

realizarán dentro de los horarios establecidos y previamente programados.

Bajo ningún motivo se crearán nuevos horarios para recuperación.

20. La no realización de los laboratorios por motivos exógenos o extra

académicos, conllevará a una reprogramación de los horarios afectados.

Las fechas de reprogramación serán publicadas oportunamente en la

Secretaría del Departamento Académico de Hidráulica e Hidrología,

previa coordinación con los instructores y la Coordinación de Laboratorios.

Capítulo VI: DE LOS AMBIENTES DE LABORATORIO Y LOS EQUIPOS

21. Las experiencias de laboratorio se desarrollarán en los ambientes del

Laboratorio de Mecánica de Fluidos y Medio Ambiente (LMFyMA) o de la

División Didáctica del Laboratorio Nacional de Hidráulica (LNH), en las

fechas señaladas en el Cronograma de Actividades publicado durante la

tercera semana de actividades académicas.

22. Los instrumentos y equipos son entregados a los estudiantes en adecuado

estado de operación. Es responsabilidad del instructor a cargo y del grupo

de estudiantes verificar el estado de los equipos antes del inicio de la

experiencia. Si se encontrase algún desperfecto o mal funcionamiento,

deberá comunicarse inmediatamente al personal de mantenimiento del

laboratorio.

23. De considerarlo necesario, el instructor solicitará a todos los participantes

su carné universitario, el cual les será devuelto al término del ensayo,

siempre y cuando no se haya producido ningún daño y/o desorden

durante la realización de la experimentación. En caso contrario, será

retenido hasta la reposición o aclaración correspondiente.

24. Cualquier daño o pérdida de equipos será responsabilidad del grupo

participante, sin excepción, comunicándose inmediatamente a la

autoridad respectiva.

25. Los estudiantes deben mantener la disciplina, orden y limpieza durante su

permanencia en los ambientes del laboratorio con el fin de evitar

molestias y contratiempos. Es responsabilidad del instructor velar por el

cumplimiento de esta disposición.

Capítulo VII: RESPONSABILIDAD DEL INSTRUCTOR DE LA PRÁCTICA DE LABORATORIO

26. El instructor encargado de la conducción de la práctica de laboratorio es




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la persona responsable de los equipos y de la acción de los estudiantes

del grupo durante el desarrollo de la práctica de laboratorio.

27. Son obligaciones del instructor:

- Asistir puntualmente a los horarios de prácticas a su cargo, e iniciar

puntualmente con el desarrollo de la misma.

- Registrar la asistencia de los estudiantes y entregar la lista de asistentes a

la Secretaría del D.A.H.H.

- Permanecer con los estudiantes durante las horas programadas,

supervisando el desarrollo de la experiencia de laboratorio y anotando

su evaluación respecto al desempeño de cada alumno durante la

experimentación.

- Informar a la Secretaría del D.A.H.H. cualquier imprevisto que impida su

presencia en su horario asignado a fin de buscar un instructor de

reemplazo o para realizar la reprogramación respectiva.

28. Está terminantemente prohibido:

- Agregar alumnos a la lista de estudiantes del horario sin autorización de

la Coordinación.

- Permanecer por un tiempo mayor al horario asignado ocupando los

equipos del laboratorio.

- Ausentarse del laboratorio durante el desarrollo de la experiencia de

laboratorio.

Capítulo VIII: DE LA ELABORACION DE LOS INFORMES

29. El Informe de Laboratorio es la etapa final de la experiencia de laboratorio

y la base para su evaluación. Por no presentar el informe pierde el

derecho de su evaluación, otorgándosele el calificativo de cero (00).

30. Los informes de laboratorio deben documentar suficientemente los

resultados y transmitir el significado del ensayo, dando a conocer que los

miembros del grupo han entendido los conceptos planteados en función

a la información disponible y al significado de los resultados.

31. En la elaboración de los informes deben utilizarse las hojas ID (Hojas de

diseño). En caso de gráficos y tablas, éstos podrán realizarse en hojas

independientes e incluirse en el informe.

32. La estructura de los informes deben mantener orden y rigor científico,

recomendándose la siguiente estructura:

- Página Título

- Resumen

- Introducción

- Métodos y Materiales (o Equipos)

- Procedimiento del Experimento

- Resultados y Discusión

- Conclusiones

- Referencias bibliográficas

- Anexos




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Capítulo IX: DE LA ENTREGA DE LOS INFORMES Y SU CALIFICACION

33. La elaboración del informe será grupal. Solamente se recibirán informes

individuales de aquellos alumnos que han recuperado clases en un horario

diferente a su horario regular y previa aprobación de la Coordinación de

Laboratorios.

34. Los alumnos integrantes de un grupo que no hayan realizado la

experiencia correspondiente, no tienen derecho a estar considerados en

el informe que presenten el resto de integrantes del grupo y su nota será

considerada “cero” (00).

35. La entrega de informes de laboratorio se realizará en la Secretaría del

Departamento Académico de Hidráulica e Hidrología como máximo 7

días calendario después del día de realización de la práctica. Al momento

de realizar la entrega, dejará constancia firmando la lista correspondiente

a su horario de laboratorio. BAJO NINGÚN MOTIVO, SE RECEPCIONARÁ

INFORMES PRESENTADOS CON POSTERIORIDAD A LA FECHA Y HORA LÍMITE.

36. El horario de entrega de informes es de 10:00 a 12:00 Hrs. (con 10’de

tolerancia como máximo). Pasado el tiempo de tolerancia no se recibirán

informes.

Capítulo X: DE LA CALIFICACIÓN

37. La calificación de los informes de laboratorio estará a cargo del Jefe de

Práctica asignado a cada sección del curso.

38. La calificación deberá considerar el contenido del informe y la

sustentación oral del mismo. Las fechas sugeridas de sustentación se

encuentran definidas en la programación de laboratorios del semestre en

curso.

39. Los alumnos asistentes a la práctica de laboratorio y que no presenten

informe de laboratorio no tienen derecho a sustentar y su calificación es

automáticamente “cero” (00).

Capítulo XI: DIRECTIVAS COMPLEMENTARIAS

40. El cumplimiento del presente Reglamento es obligatorio para estudiantes y

todo agente involucrado en el proceso (profesor, jefe de prácticas,

coordinador de laboratorio e instructores).

41. Cualquier caso no previsto en el presente reglamento será resuelto por la

Coordinación.




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ANEXO: GUÍA PARA LA ELABORACIÓN DE INFORMES DE LABORATORIO

1. PÁGINA TÍTULO.- Esta página debe tener el nombre del experimento, nombre

completo de los participantes en el ensayo, fecha, nombre del curso, código y

nombre del instructor.

Los títulos deben ser directos, informativos y menos de 10 palabras.

NO LAB N° 1

SI EFECTOS DE LA VISCOSIDAD EN LA CONCENTRACIÓN DE UN FLUIDO

2. RESUMEN.- Se debe buscar y resumir 4 aspectos especiales de un reporte

a.- Propósito del Experimento

b.- Resultados Claves

c.- Significado

d.- Conclusiones Principales

Este resumen debe incluir una breve referencia a la teoría o metodología. La

información proporcionada debe ser lo suficientemente clara para permitirle a los

lectores del documento si ellos necesitan leer todo el documento.

El resumen debe ser un texto de 100 a 200 palabras y es recomendable que el

documento sea escrito al final o al término del informe.

3. INTRODUCCIÓN.- La introducción establece el objetivo y el alcance del experimento

(o informe) y le da al lector los sustentos del experimento. La relevancia e

importancia del ensayo debe ser explicado; la introducción suministra una vista

previa del documento final.

Se concluye que al leer la introducción el lector debe entender porque fue

realizado el estudio.

Recomendaciones Gramaticales

Tiempo de los Verbos

Si el experimento está casi finalizado, use el verbo en tiempo pasado cuando se

refiera al experimento

“El objeto del experimento fue...”

El reporte, la teoría y el equipo todavía existen, es conveniente usar los verbos en

presente

“El propósito de este reporte es....”

“La ley del gas ideal es..................”

“El espectrómetro mide..................”

4. TEORÍA.- La sección explica los principios científicos que se aplican a los

experimentos, y son importantes para el análisis e interpretación de los resultados.

La teoría o sección teórica también debe explicar las ecuaciones más relevantes.




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5. MÉTODOS Y MATERIALES (EQUIPOS).- Esta sección suministra la fuente (nombre de la

compañía y ubicación) de todos los materiales usados y los modelos y fabricantes

del equipo especializado y una descripción de todos los métodos de medición. Si

se usa un método estándar y publicado, este debe ser referenciado

apropiadamente.

6. PROCEDIMIENTO DEL EXPERIMENTO.- Esta sección describe los procesos en orden

cronológico. Usando una redacción clara, se explicará los pasos en el orden en

que ellos fueron realizados. Si el procedimiento es descrito apropiadamente,

cualquier investigador debe ser capaz de reproducir el experimento.

Los procedimientos están siempre escritos en tiempo pasado y voz pasiva

Correcto: El café fue pesado en una balanza analítica.

Incorrecto: Pesamos el café en una balanza analítica.

Ud. pesa el café en una abalanza analítica.

Pesé el café en una balanza analítica.

No debe ser escrito en el mismo formato, que un recetario el cual instruye al

experimentador realizar una serie de pasos.

7. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.- Esta sección presenta los logros e interpreta sus

significados. Todos los resultados deben ser explicados, analizados e interpretados.

Análisis e Interpretación ¿Que indican los resultados?

¿Cuál es el significado de los resultados?

Compare los resultados esperados con los resultados obtenidos ¿Qué

ambigüedades, existen los valores esperados y los observados? Explicaciones

lógicas deben ser proporcionadas.

Análisis del Error Experimental ¿Era evitable? ¿Fue consecuencia del equipo usado?. Si el ensayo estuvo

dentro de las tolerancias, puede ser considerado como desviación del óptimo.

Si los defectos resultan del diseño experimental se debe explicar como el diseño

podría ser mejorado.

Explicar los Resultados en Términos de Temas Teóricos Cuando compare los resultados obtenidos con los esperados, estos debieron ser

siempre sustentados en sólidos principios científicos. Estos principios con sus

ecuaciones más relevantes deben ser suministrados en el capítulo teórico del

reporte.

Compare sus Resultados con Investigaciones Similares Es deseable comparar sus resultados, con otros resultados publicados en

estudios similares. Si no hay estudios similares, se pueden comparar con los

resultados de sus compañeros.

Analice las Resistencias y Limitaciones de su Diseño Experimental Esto es muy útil si un nuevo u original diseño ha sido usado.




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Use Gráficos y Tablas para Suministrar un Sumario Visual de los Resultados Los resultados son a menudo expresados muy convenientes con el uso de

gráficos, figuras y tablas, pero deben ser explicados en el texto.

No es aceptable presentar datos en gráficos o tablas sin hacer una explicación

de ellos. Los resultados deben ser siempre explicados y analizados en el texto.

No es aceptable presentar tablas sin especificarlas directamente a los lectores.

Use Apéndices para los Cálculos e Información Complementaria. Siempre indique al lector donde ubicar esta información.

8. CONCLUSIONES.- En esta sección el significado y sus implicancias de los resultados

son resumidos uno por uno, las conclusiones deben ser consistentes con los

objetivos establecidos y con los resultados. La conclusión podría ser también una

oportunidad para señalar la debilidad del diseño del experimento y que trabajos

adicionales necesitan ser hechos, para extender las conclusiones.

Las recomendaciones para los trabajos futuros, serán positivos relevantes,

constructivas, útiles y prácticas.

9. REFERENCIAS.- Las referencias deben ser incluidas si la información de otras fuentes

son incluidas en el reporte.

Cualquier información de estas fuentes deben ser citadas al pie de página en el

texto y la referencia debe aparecer al final del documento. La sección de

referencia no debe ser solamente una lista de libros de textos y artículos leídos

sobre el tema. Se recomienda utilizar los siguientes formatos:

Libros Autor, Titulo, Edición, Volumen, Editorial, Ciudad, Año

Artículos de Journal Autor, Titulo, Revista, Volumen (Tema), Año, Páginas,

10. ANEXOS.- Aquí se debe incluir, datos, cálculos, fotos o tablas que no aparecen en

el reporte.

Cada tipo de material debe estar separado y es preferible dar un código al

apéndice. Ejem. Apéndice A, Apéndice B, etc.) y su título respectivo, y deben ser

señaladas por lo menos 1 vez en el reporte.




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LABORATORIO Nº 01 PÉRDIDA DE CARGA EN TUBERIAS

Capítulo I: GENERALIDADES:

Las pérdidas de carga a lo largo de conducto de cualquier sección

pueden ser locales ó de fricción, su evaluación es importante para el

manejo de la línea de energía cuya gradiente permite reconocer el flujo

del fluido en sus regímenes: laminar, transicional o turbulento,

dependiendo de su viscosidad. Cuando el fluido es más viscoso habrá

mayor resistencia al desplazamiento y por ende mayor fricción con las

paredes del conducto, originándose mayores perdidas de carga;

mientras que, si la rugosidad de las paredes es mayor o menor habrá

mayores o menores perdidas de carga.

Esta correspondencia de viscosidad-rugosidad ha sido observada por

muchos investigadores, dando lugar a la correspondencia entre los

números de Reynolds (Re = Re (, , D, )), los parámetros de los valores

de rugosidad "k" y los coeficientes de rugosidad "f" que determinan la

calidad de tubería. El gráfico de Moody sintetiza las diversas

investigaciones realizadas acerca de la evaluación de los valores "f" en

los distintos regímenes de flujo.

Capítulo II: PROPÓSITOS DEL EXPERIMENTO:

Estudiar en forma sistemática las pérdidas de carga lineal en

conductos circulares, obteniendo una gama de curvas que

relacionan los coeficientes de pérdidas de carga "f" en función del

número de Reynolds.

Estudiar las perdidas de cargas debido a los accesorios

(singularidades) que se instalan en un tramo de la tubería.

Capítulo III: INSTALACIONES PARA LOS ENSAYOS DE PERDIDAS DE CARGA

El equipo para este experimento es el denominado Banco de Tuberías

para flujo turbulento. La instalación esta destinada al estudio de las

pérdidas de carga en tres tuberías de diferentes, a través de los cuales

escurre el agua preferentemente en régimen turbulento.

La instalación comprende de:

Un banco de 3 tuberías cuya longitud útil para realizar los ensayos es

de aproximadamente 9m. y los diámetros interiores son 80mm, 50mm.

y 26mm.

Un reservorio metálico con un controlador de nivel con un difusor en la

parte superior, que asegura la alimentación a las tuberías bajo una

carga constante.

Accesorios para medir las pérdidas de carga locales que serán

acoplados al conducto de 80 mm. (codo, ensanchamiento y




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contracción venturímetro, válvula, etc).

Una batería de piezómetros conectados al tablero de medición con

conductos flexibles (mangueras transparentes)

Los conductos y los accesorios deben ser instalados a presión en la

posición adecuada para obtener la línea piezométrica correcta, y las

correspondientes pérdidas de carga.

Para realizar el experimento conviene elegir el número de tuberías para

el ensayo, señalizar los piezómetros en el tablero y la tubería, medir la

temperatura del agua y las distancias entre los piezómetros de trabajo.

Capítulo IV: PROCEDIMIENTO:

1. Hacer circular agua a través de las tuberías elegidas para el

experimento, en conjunto ó independientemente. Para verificar el

buen funcionamiento de los medidores de presión se debe aplicar

una carga estática al equipo, cuando no exista flujo los piezómetros

deberán marcar la misma carga.

2. Medir el caudal en cada tubería con el vertedero triangular

calibrado.

3. Señalizar los tramos de tuberías en estudio entre 2 piezómetros, medir

la longitud del tramo. En este caso se utilizaran 3 tramos de medición,

dos para definir las pérdidas de fricción y una para las pérdidas de

carga local.

4. Hacer las mediciones de nivel en los piezómetros.

5. Cambiar el caudal utilizando la válvula instalada al final de cada

tubería y repetir un número de veces tal que asegure buenos

resultados. Medir la temperatura promedio del agua.

Capítulo V: DETERMINACIÓN DE LOS COEFICIENTES DE PERDIDA DE CARGA

Teoría: En la figura, aplicando la ecuación de Bernoulli entre las secciones 1 y 4

de la tubería, a nivel del eje.




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l43f21f

2

444

2

111 hhh

g2

VPZ

g2

VPZ

hf1-2 = Pérdida de carga por fricción entre 1 y 2

hl = Pérdida de carga local entre 1 y 4 ( producido en el tramo

2-3)

Z = Carga de posición

P/ = Carga debido al trabajo de presión.

V²/2g = Carga de velocidad

Como la tubería tiene un diámetro constante en todo los tramos y

están instalados horizontalmente, se tienen las velocidades V1 = V2 y las

cotas Z1 = Z2, = Z3 = Z4 , entonces:

21f

PPh

21 (diferencia de niveles en los piezómetros 1 y 2).

43f

PPh

43 (diferencia de niveles en los piezómetros 3 y 4).

Del equilibrio de fuerzas que generan el movimiento se obtiene la

ecuación de Darcy:

g2

v

D

Lfh

2

f

donde:

f = Coeficiente de fricción.

L = Longitud del tramo considerado

D = Magnitud característica D = diámetro

Si la tubería es de sección circular

V = Velocidad media (v = Q/A)

g = Aceleración de la gravedad

Además:

vDRe ;

D

kReff 1

Re = Número de Reynolds

k = Altura de rugosidad

k/D = Rugosidad relativa

= Densidad

= Viscosidad dinámica

El valor del coeficiente f está definido en función del tipo de flujo y del

comportamiento hidráulico de la tubería.




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I. Régimen Laminar, Re 2000

Re

64f

II. Régimen Turbulento:

En necesario distinguir si el conducto se comporta hidráulicamente

liso, rugoso o en transición

a) En conductos lisos, para Re 3 x 105

8.0f.Relog2f

1

b) En conductos hidráulicamente rugosos

Rugosos, con flujo completamente turbulento, para Re elevados

k

D71.3log214..1

k

Dlog2

f

1

c) En conductos hidráulicamente en transición

f.Re

7.18

r

Klog274.1

f

1

La síntesis de estas relaciones se encuentra en el gráfico de Moody, y

permiten la aplicación directa de las ecuaciones para diversos

regímenes.

La utilización del gráfico de Moody consiste en:

a) De las características de la tubería hallar k utilizando una tabla

donde indican la calidad de tubería y el valor k (ver gráfico de

Moody).

b) Hallar la rugosidad relativa (k/D) para identificar la curva

correspondiente en el gráfico.

c) Utilizando la viscosidad del fluido a la temperatura observada y los

valores de velocidad, hallar el número de Reynolds (Re).

d) Con (K/D) e Re ingresar al gráfico de Moody para leer el

coeficiente de fricción "f".

Debe notar que ahora que en el experimento podemos hallar

fácilmente diversos valores de f y números de Reynolds, ingresar al

gráfico y plotear el resultado en ésta definiendo una zona de

soluciones, esto es un intervalo de valores (k/D), del cual obtenemos la

rugosidad relativa. Y por lo tanto un intervalo de valores k con el cual




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podemos definir la calidad de tubería.

Capítulo VI: GRAFICA DEL AREA DE SOLUCIONES

Capítulo VII: CUESTIONARIO

a) De los datos obtenidos del laboratorio determinar, para cada juego

de datos:

a.1 El número de Reynolds, Re.

a.2 La pérdida de carga por fricción, hf

a.3 El coeficiente de fricción, f

a.4. El coeficiente de perdida local, k

a.5. El coeficiente "C"de Chezy.

a.6. El coeficiente "C"de Hazen & Williams, y comparar con aquellos

valores publicados en los textos. Tomar en cuenta las unidades.

b) En el gráfico de Moody plotear "Re" vs "f", distinguiendo los datos

tomados en cada tubería. Realizar un análisis comparando con los

valores de altura de rugosidad obtenida.

c) Velocidad máxima en el eje, Esfuerzo de corte sobre las paredes,

Velocidad de corte.

d) La altura de rugosidad k y espesor de la capa limite d, así como el

comportamiento hidráulico (liso o rugoso).

e) Conclusiones y recomendaciones.

Capítulo VIII: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Esencialmente todo lo relativo a tablas y gráficas elaboradas contra todo

aquello que debiera ser.

Capítulo IX: BIBLIOGRAFIA

Ven Te Chow "Open Channel Hydraulics"

Edit. Mc Graw - Hill Book

Company INC.



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LABORATORIO Nº 02 ENERGIA ESPECÍFICA Y MOMENTA EN CANALES

I. ENERGÍA ESPECIFICA EN CANALES:

Capítulo I: GENERALIDADES

Un caso particular de la aplicación de la ecuación de energía, cuando

la energía esta referida al fondo de la canalización, toma el nombre de

energía especifica en canales. Para un caudal constante, en cada

sección de una canalización rectangular, obtenemos un tirante y un

valor de energía especifica, moviéndose el agua de mayor a menor

energía con un gradiente, en este caso, coincidente con la pendiente

de energía.

Analíticamente es posible predecir el comportamiento del agua en el

canal rectangular, sin embargo la observación del fenómeno es ahora

de mayor importancia y toda conclusión debe íntimamente estar ligada

al experimento.

Capítulo II: PROPÓSITO DEL EXPERMIENTO

Determinar la relación existente entre la energía especifica en un canal

rectangular y el tirante; asimismo comprobar mediante cálculos teóricos

valores de energía mínima y tirantes críticos.

Capítulo III: DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO DISPONIBLE

EL CANAL.-

La sección del canal es de 10dm2 (ancho = 0.25m y altura útil = 0.40m)

La pendiente del canal varia entre + 10% y - 3% (en contra-pendiente).

El caudal máximo de ensayo es de 100 l/s. la longitud útil del canal es de

10.56 m. (8 elementos de 1.32 m.)

El sistema canal visto desde aguas arriba hacia aguas abajo esta

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.

Ocho elementos metálicos con vidrio en cada cara lateral, provistos

de tomas de presión en el fondo. Los bridas de empalme de los

diversos elementos están diseñados especialmente para colocar

diversos accesorio.

En la brida de aguas abajo del ultimo elemento esta instalado una

compuerta del tipo persiana que permite el control de niveles en el

canal.



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Tres rieles de cojinetes para el desplazamiento del carrito porta

limnimetro de puntas.

Este sistema canal esta 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.

ACCESORIOS CON QUE CUENTA EL CANAL: Son 9:

Un vertedero de pared delgado sin contracción

Un vertedero de pared delgado de una contracción

Un vertedero de pared delgado de dos contracciones

Un perfil NEYRPIC denominado también barrage de cresta grueso.

Una compuerta de fondo

Un pilar de puente de forma redondeada

Un pilar de puente perfilado

Una contracción parcial

Capítulo IV: PROCEDIMIENTO

a) Fijar la pendiente del canal (1% por ejemplo)

b) Verificar la calibración del limnimetro

c) Abrir la llave de compuerta para circular agua en el canal.

d) Si considera necesario ver condiciones de entrada del flujo.

e) Medir el caudal de agua que esta circulando después de haber

transcurrido cierto tiempo para la estabilización del flujo.

f) Determinar la lectura del fondo de la canalización y otra lectura en

la superficie de agua, con ayuda del limnimetro de punta. Por

diferencia de lecturas se obtiene el tirante de agua en la sección.

g) Repetir el paso anterior para distintas pendientes, con el cual se

obtendrán distintos valores de tirante, por encima de una valor

critico denominado tirante critico, cuando el régimen es subcrítico;

y por debajo, si el régimen es supercrítico. Debe hallar un mínimo

de 8 mediciones.

Capítulo V: DETERMINACIÓN DE LA ENERGIA ESPECIFICA

La energía especifica en una sección cualquiera de un canal, se define

como la energía por kg. de agua referida al fondo de la canalización.

Como g2

VyE

2

e



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A

QV

2

2

egA2

QyE

22

2

eygb2

QyE

Cuando el caudal es constante:

byA

2ey

CyE

Cuando el tirante de flujo se traza en función de la energía especifica, se

obtiene una curva de dos ramas: AC y BC

La rama AC se aproxima al eje horizontal asintóticamente hacia la

derecha.

La rama BC se aproxima a la línea OD asintóticamente a medida que

avanza hacia la derecha.

La línea OD es una línea que pasa por el origen y tiene un ángulo de

inclinación de 45°. Si el canal tiene pendiente fuerte, el ángulo será

diferente.

Observando el gráfico vemos que es posible encontrar la misma energía

para diferentes alturas de presión (tirantes), estableciéndose zonas

perfectamente demarcadas:

El tramo AC caracterizado por velocidades grandes y tirantes

pequeños.

Los tramos BC, pequeñas velocidades y tirantes grandes.

Existe un punto donde la energía es mínima y ocurre solamente para el

tirante crítico (yc), definiendo estos puntos para distintos caudales un

lugar geométrico de los yc, para el “estado critico del flujo”.

Estado subcrítico y > yc ; F < I régimen tranquilo

Estado supercrítico y < yc ; F > régimen rápido, torrencial

o turbulento.



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cgy

V1F

Estado Critico:

2

Y

g2

V c

2

En el punto C y1 = y2 = yc (tirante critico), es el punto de energía

especifica mínima.

Capítulo VI: CUESTIONARIO

a) Demostrar que la energía especifica mínima ocurre cuando Vc

= g Yc , es decir cuando el número de Froude es igual a 1.

b) Graficar en papel milimetrado, la energía especifica en abscisas y

los tirantes en ordenadas.

c) Considerar x = y/ yc

Graficar la ecuación de energía especifica relativa

2

c

eE

x2

1x

Y

EE

d) Ubicar en esta las tirantes medidas en el canal.

II. FLUJO EN CANALES: FUERZA ESPECIFICA EN EL RESALTO HIDRAULICO

Capítulo I: GENERALIDADES

El resalto hidráulico es un fenómeno producido en el flujo de agua a

través de un canal cuando el agua discurriendo en régimen supercrítico

pasa al régimen subcritico. Tiene numerosas aplicaciones, entre las

cuales se citan:

La disipación de energía en aliviaderos.

Como dispositivo mezclador, en las plantas de tratamiento de agua.

Como cambiar de régimen se tiene antes del resalto un tirante pequeño

y después del resalto un tirante mayor, se establece una relación de

fuerzas debido a la presión y al flujo, esto se denomina fuerza especifica

en la sección, al inicio y al final del resalto hidráulico.

Capítulo II: PROPÓSITO DEL EXPERIMENTO

Estudiar el fenómeno del cambio de régimen de flujo en un canal

rectangular, pasando de régimen supercrítico al régimen subcritico.



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Capítulo III: PROCEDIMIENTO

a) Hacer circular agua en el canal.

b) Fijar una pendiente que produzca flujo supercrítico

c) Si no se produce el resalto provocar este utilizando un accesorio del

canal el cual puede ser la componente de fondo ó sino con la

compuerta tipo persiana.

d) Medir los tirantes de agua antes y después del resalto (tirantes -

conjugados).

e) Repetir esta operación por lo menos 8 veces para el mismo caudal.

Capítulo IV: DETERMINACIÓN DE LA FUERZA ESPECIFICA

De la ecuación de cantidad de movimiento aplicado a un volumen de

control comprendido por las ecuaciones 1 y 2:

Ad.vvF

Ad.v.vFF 21

QVQ.V2

y

2

yx2x1

2

2

2

1

Dividiendo la ecuación (1) por “ “ tendríamos la variación de cantidad

de movimiento por unidad de peso:

2

2

22

1

2

11gA

QAy

gA

QAy

fuerza especifica = fuerza especifica

en 1 en 2

Es decir, en una sección, la suma de la fuerza debido a presión y al flujo

dividido por el peso específico se denomina fuerza especifica en la

sección.

gA

QAyM

2

donde:

Q = Caudal

g = Aceleración de la gravedad

A = b . y = área de la sección



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y = (y/2), posición del centro de gravedad de la sección

rectangular

En la ecuación (2) para una misma energía especifica:

2

c

2

2

2

c

2

c

2

1

c

y

y

2

1

y

y

y

y

2

1

y

y1

y1 y y2 son profundidades conjugadas

Multiplicando la ecuación (4) por 2

cy :

2

22

2

1

22

1

gy

q

2

y

gy

q

2

y

Finalmente se establece que

1F812

1

y

y 2

1

1

2

Denominando ecuación del resalto hidráulico donde

1

11

yg

VF

Número de Froude en la sección 1.

OBSERVACION:

En la ecuación de energía examinamos una pérdida de carga

“hf” por efecto del resalto hidráulico debido a pérdidas de energía

interna; en la ecuación de cantidad de movimiento examinamos

una perdida de fuerza por efecto del resalto debido a la acción

de las fuerzas exteriores tales como frotamiento del fluido con las

paredes del canal u otro efecto.

Esquema de energía específica y fuerza específica.

El número de Froude (F), además de la clasificación de flujos sirve

para designar el tipo de salto hidráulico que se produce, así:

F = 1 a 1.7 ondular

F = 2.5 a 4.5 oscilante, etc

La selección del tipo de salto

Capítulo V: CUESTIONARIO

a) Graficar la curva de energía especifica vs profundidades antes y

después del salto.

b) Graficar la curva de fuerza especifica vs profundidades antes y

después del salto.

Comparar estos gráficos de (1) y (2) para un tirante y1 en tal forma



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que se magnifique la pérdida de energía en el salto al pasar y1 a y2.

c) Verificar la ecuación

1F812

1

y

y 2

1

1

2

d) Verificar la pérdida de energía hallada gráficamente con aquella

obtenida por la ecuación.

e) Hacer una gráfica adimensional de fuerza especifica.



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LABORATORIO Nº 03 FLUJO GRADUALMENTE VARIADO

Capítulo I: OBJETIVO

Estudio experimental y analítico de un flujo gradualmente variado.

Capítulo II: FUNDAMENTO TEORICO

Este es del tipo permanente, variado gradualmente su tirante a lo largo

de la longitud del canal. Para su estudio se han considerado las

siguientes hipótesis:

La pendiente del canal es pequeña, es decir, se puede considerar

que el tirante del flujo es el mismo si se usa una dirección vertical o

normal (al fondo del canal).

El flujo es permanente, es decir, las características del flujo

permanecen constantes en el intervalo de tiempo en consideración.

Las líneas de corriente son prácticamente paralelas, es decir, la

distribución hidrostática de la presión prevalece sobre la sección del

canal.

La perdida de carga en una sección es la misma que la de un flujo

uniforme teniendo la velocidad y radio hidráulico de la sección

ECUACIÓN DEL FLUJO GRADUALMENTE VARIADO

La altura total de energía en la

sección mostrada es:

g2

vyzH

2 .

Derivando respecto a X:

g2

v

dx

d

dx

dy

dx

dz

dx

dH2

...(1)

Además: Sodx

dzySf

dx

dH

reemplazando en 1:

g2

v

dx

dx

dy

dy

dx

dySoSf

2

Sf

v2

2g

X

Q==> y

X

So z X Nivel de Frecuencia



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Agrupando:

g2

v

dy

d1

dx

dySfSo

2

..............(2)

pero : TgA

Q

dy

dA.

gA

Q

gA

Q

dy

d

g2

v

dy

d3

2

3

2

2

22

reemplazando en 2:

3

2

gA

TQ1

SfSo

dx

dy

donde: )MANNINGdeecuacion(RA

nQSf

342

22

RUGOSIDAD COMPUESTA

Cuando la sección del canal presenta diferentes rugosidades, se

aplicará la formula de HORTON-EINSTEIN para el calculo de la Rugosidad

promedio:

32

P

ni.Pi 5.1

donde:

n : Rugosidad promedio

de la sección.

P : Perímetro mojada del

canal = Pi

Pi : P1, P2, P3

ni : n1, n2, n3

Capítulo III: EQUIPO USADO

Básicamente se emplearán los siguientes equipos:

Canal de sección rectangular y pendiente variable. El ancho de

este canal es de 0,25 m., su rugosidad de fondo igual a 0,014 y de

las paredes igual a 0,009 (Rugosidad de Manning)

Limnimetro de punta apoyado sobre una base rodante.

Wincha de 3,00 m.

Vertedero triangular de 53°.



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Capítulo IV: PROCEDIMIENTO

1. Instalar en el canal los accesorios necesarios para generar un flujo

gradualmente variado, y darle la pendiente que para ello requiera.

Esta labor será desarrollada por el profesor de práctica.

2. Abrir la válvula de ingreso de agua y establecer un caudal.

3. Medir el flujo gradualmente variado en coordenadas X e Y, esto se

hará con la wincha (a cada 0,60 m.) y con el limnimetro de punta. El

profesor de práctica indicará el punto inicial y final de medición del

perfil del flujo.

4. Medir la carga de agua sobre el vertedero triangular y obtener el

caudal de la tabla de calibración.

Capítulo V: CUESTIONARIO

a) Graficar la curva del flujo gradualmente variado medida durante la

práctica de laboratorio.

b) Calcular analíticamente la curva del flujo gradualmente variado y

Graficarla, para ello se aplicarán los métodos de paso DIRECTO y

PRASAD explicados en el ANEXO.

c) Comparar y comentar ambas gráficas

d) Clasificar el tipo de perfil de flujo gradualmente variado.

Capítulo VI: BIBLIOGRAFÍA

CHOW, VEN TE : HIDRÁULICA DE LOS CANALES

ABIERTOS

FRENCH, RICHARD : HIDRÁULICA DE CANALES.

ROCHA, ARTURO : HIDRÁULICA DE TUBERÍAS Y

CANALES.



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ANEXO

MÉTODO DE PASO DIRECTO:

a) Se tiene Y1 (dato leído) y se

quiere determinar Y2

(considerar Y = 0.01 m.)

b) Con Y1 e Y2 se determinan

Sf1 y Sf2 aplicando para

cada caso:

34

RA

nQSf

2

22

donde:

Q = Caudal (m3/s), en el canal (leído del vertedero

triangular)

n = Rugosidad compuesta de la sección, la cual será

calculada

considerando:

nmadera = 0.014 y nvidrio = 0.009

A = Área de la sección mojada: A = B.Y (B = 0,25m)

R = Radio hidráulico (m).

c) Se determina: 2/SfSffS 21

d) Se determina X; es decir, la distancia horizontal a la cual le

corresponderá un tirante Y2 en el flujo (a partir de la ubicación

de Y1. Se aplicará la relación:

)By(Qv;1;

g2

vYE:Ademas

cionseclaenespecificaEnergia:E,E

canalelenPendiente:So:donde ,SfSo

EEX

2

21

12

e) Repetir el procedimiento para hallar la ubicación de los demás

tirantes del flujo gradualmente variado (Y3, Y4,........).X será la

distancia horizontal que separa a las secciones con tirantes Yi+1

e Yi.

f) Si el flujo es subcritico, el sentido del cálculo será de aguas

arriba; si el flujo es supercrítico, el sentido del cálculo será de

aguas abajo.

Y

Y1 Y2 Y3

X



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MÉTODO DE PRASAD:

Considerando Y1 como dato (lectura tirante inicial del flujo), calcular

(dy/dx), aplicando:

34

RA

nQSf

:donde

)1.........(..........

TgA

Q1

SfSo

dx

dy

2

22

3

2

T : Ancho superficial, en este caso igual a B.

Las demás variables tienen el mismo significado indicado en

el método anterior.

b : Asumir que (dy/dx)2 = (dy/dx)1 y calcular Y2 aplicando

)2....(....................X2

dx

dy

dx

dy

YY x1ii

i1i

en la cual se debe considerar : X = 0.15 m.

c : Aplicando la ec. (1) verificar si es correcto el valor asumido

para (dy/dx)2, si es diferente, reemplazar este valor en la ec.

(2) y hallar un nuevo valor de Y2 . Repetir este proceso

hasta conseguir un valor constante de (dy/dx)2, en este

momento se tendrá el valor de Y2 correspondiente a un

incremento X.

d : Determinar los demás tirantes repitiendo todo el procedimiento.

guia laboratorio hh-224

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