informe base para fluidos 2

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA DE FLUIDOS II-HH224-J Facultad de Ingeniería Civil

ContenidoI. Introducción................................................................................................................................................2

II. RESUMEN....................................................................................................................................................2

III. OBJETIVOS...............................................................................................................................................2

IV. FUNDAMENTO TEORICO.........................................................................................................................3

PERDIDAS DE CARGAS.....................................................................................................................................3

ECUACIÓN GENERAL DE LAS PÉRDIDAS PRIMARIAS: ECUACIÓN DE DARCY WEISBACH.................................3

DIAGRAMA DE MOODY:..................................................................................................................................4

TUBO DE VENTURI:.........................................................................................................................................4

METODO DE MEDICION DE CAUDALES POR MEDIO DE VERTEDEROS............................................................5

VERTEDERO DE REBAJO TRIANGULAR.............................................................................................................5

ECUACIÓN DE BERNOULLI APLICADO EN TUBERÍAS........................................................................................5

V. MATERIALES PARA EL PROCEDIMIENTO.....................................................................................................7

VI. PROCEDIMIENTO DEL EXPERIMENTO......................................................................................................9

VII. CUESTIONARIO......................................................................................................................................11

VIII. CONCLUSIONES.....................................................................................................................................12

IX. RECOMENDACIONES.............................................................................................................................12

Página 1P r i m e r L a b o r a t o r i o d e M e c á n i c a d e F l u i d o s


I. INTRODUCCIÓN

Se tiene por definición un canal abierto que es un conducto para flujos en la cual

tiene superficie libre, la superficie libre es esencialmente un interface entre dos fluidos de

diferente densidad, separados por efectos de gravedad y distribución de presiones. Los

flujos son casi siempre son turbulentos y no son afectados por tensión superficial en el

caso del agua.

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 específica, 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 estará ligada al experimento.

El salto 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 subcrítico. 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.



II. RESUMEN

En éste segundo laboratorio empezaremos por comprender lo que ocurre cuando variamos las

pendientes del canal, lo cual implica una variación de la energía especifica esto para una

descarga constante, esta variación será representada gráficamente donde se puede observar

claramente de la existencia de una mínima Energía específica para un determinado tirante

(que más adelante lo llamaremos tirante crítico). Esto significa que para un tirante dado el

flujo de agua se desplaza con una mínima energía esto nos interesa desde el punto de vista de

optimizar la eficiencia del canal al momento de diseñar.

En la segunda parte de este laboratorio se verá la aplicación de la conservación de la momenta,

esto para estudiar el salto hidráulico en un canal rectangular de carga constante, similar al caso

de la Energía específica se platearan los tirantes versus la momenta y se aprecia una grafica con

una momenta mínima para un tirante dado, que será calculado en detalle más adelante.

La conservación de la momenta se usa para determinar en tirante luego del salto hidráulico

como se verá más adelante, que también fue medido en el laboratorio, con lo cual se podrá

comprobar estos dos datos (teórico y real).

Finalmente se sacaran algunas conclusiones en base a lo que se obtenga con los daros tomados

de laboratorio.

Además se dan algunas recomendaciones para la toma de datos de laboratorio y los cálculos

respectivos.

III. OBJETIVOS Determinar la relación existente entre el tirante y la energía específica en un canal

rectangular.

Verificar mediante cálculos los valores de energía mínima y tirantes críticos.

Estudiar el fenómeno de régimen de flujo en un canal rectangular, pasando de

régimen supercrítico al régimen subcrítico (salto hidráulico)



IV. FUNDAMENTO TEORICO

Los elementos geométricos son propiedades de una sección del canal que puede ser definida enteramente por la geometría de la sección y la profundidad del flujo. Estos elementos son muy importantes para los cálculos del escurrimiento.

Profundidad del flujo, calado o tirante: la profundidad del flujo (y) es la distancia vertical del punto más bajo de la sección del canal a la superficie libre.

Ancho superior: el ancho superior (T) es el ancho de la sección del canal en la superficie libre.

Área mojada: el área mojada (A) es el área de la sección transversal del flujo normal a la dirección del flujo.

Perímetro mojado: el perímetro mojado (P) es la longitud de la línea de la intersección de la superficie mojada del canal con la sección transversal normal a la dirección del flujo.

Radio hidráulico: el radio hidráulico (R) es la relación entre el área mojada y el perímetro mojado, se expresa como: R = A / P

Profundidad hidráulica: la profundidad hidráulica (D) es la relación del área mojada con el ancho superior, se expresa como: D = A / T.

CLASIFICACIÓN DE FLUJOSCriterios de clasificación:

a) Según el tiempoEs la variación del tirante en función del tiempo

Flujo permanente: las características hidráulicas permanecen constantes en el tiempo.

Flujo permanente

Flujo no permanente: Flujo en el cual las características hidráulicas cambian en el tiempo.



Flujo no permanente.

b) Según en el espacioEs la variación del tirante en función de la distancia

Flujo uniforme: Es aquel que tomando como criterio el espacio, las características hidráulicas no cambian entre dos secciones separadas una distancia determinada.

Flujo uniforme.

Flujo variable: Es aquel en el cual las características hidráulicas cambian entre dos secciones

•Flujo gradualmente variado (GVF): Flujo en el cual las características hidráulicas cambian rápidamente, en un espacio relativamente corto.



Flujo gradualmente variado

•Flujo rápidamente variado (RVF): Flujo en el cual las características hidráulicas cambian de manera gradual con la longitud (Fig.6)

Flujo gradualmente variado

ENERGIA ESPECÍFICALa energía de la corriente en una sección determinada de un canal es la suma del tirante, la energía de velocidad y la elevación del fondo con respecto a un plano horizontal de referencia arbitrariamente escogida y se expresa por la ecuación:



Si tomamos como plano de referencia el fondo del canal la energía así calculada de denomina energía especifica (según Rocha) y se simboliza con la letra “E”.

La energía específica es suma del tirante y la energía de velocidad. Como está referida al fondo va a cambiar cada vez que este ascienda o descienda.

Flujo uniforme y permanente.

La ecuación (1) también puede expresarse en función del gasto Q y el Área de la sección transversal, que es una función del tirante “y”.

Teniendo un Q constante y asumiendo ∝= 1, se obtiene las asíntotas de la ecuación (2) que evidentemente son:



Calculando la energía especifica mínima, derivando 2

De las ecuaciones 3, 4 y 5 se obtiene la ecuación 6.

Se observa además que para un flujo subcrítico se cumple:

También para un flujo supercrítico se cumple

NUMERO DE FROUDEEl número de Froude es un indicador del tipo de flujo y describe la importancia relativa de la fuerza gravitacional e inercial (según Potter), su definición general es:

Donde D es el tirante hidráulico medio (D=A /T)



De (7) y (4) se tiene:

Entonces cuando F=1, el flujo es flujo es crítico, F<1 el flujo es subcrítico, F>1 el flujo es supercrítico.

MOMENTA O FUERZA ESPECÍFICASalto 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 subcrítico. 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 el 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.La segunda ley del movimiento del Newton menciona que el cambio de la cantidad de movimiento por unidad de tiempo es la resultante de las fuerzas exteriores.Consideremos un canal con un flujo permanente cualquiera y un volumen de control limitado por dos secciones transversales 1 y 2. La superficie libre y el fondo del canal tal como se ve en la figura:

Grafico para la de deducción de la fuerza especifica



Aplicando el equilibrio al volumen de control y teniendo las siguientes condiciones: θ=0, Ff=0 (perdidas de carga =0); tenemos:

Finalmente graficando

Relación entre la momenta y el tirante.

Dónde se observa:Y1, y2: son los tirantes conjugados.Y1>yc: se observa un flujo subcrítico (Río).Y2<yc: se observa un flujo supercrítico (Torrente).



V. DESCRIPCION DEL EQUIPO

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

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

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

10.56m. (8 elementos de 1.32 m.)

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.

Ocho elementos metálicos con vidrio en cada cara lateral, provistos de tomas

de presión en el fondo. Las bridas de empalme de los diversos elementos están

diseñados especialmente para colocar diversos accesorios.



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 limnimetro de puntas.



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.


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