1 Semestre 2006 Laboratorio de Hidrulica

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1. Introduccin......................... 22. Marco Terico. 43. Desarrollo y Resultados.... 84. Observaciones....165. Conclusiones...176. Anexos..191. INTRODUCCINEn la aplicacin de canales abiertos, es necesario utilizar varias singularidades a lo largo del escurrimiento, siendo una de ellas las compuertas. stas son tiles para controlar el caudal proporcionado desde un canal principal a otro secundario, o bien, para desviar la direccin del escurrimiento. Quizs, su aplicacin ms comn sea el caso de los canales destinados a riego, en zonas agrcolas en que se requiere abastecer ms de un sector a partir de una sola fuente agua, tratando de optimizar al mximo el uso de este recurso.Tambin se pueden mencionar otras aplicaciones importantes:

Control de flujos de aguas Control de inundaciones Proyectos de irrigacin Crear reservas de agua Sistemas de drenaje Proyectos de aprovechamiento de suelos Plantas de tratamiento de agua Incrementar capacidad de reserva de las presasPor otro lado, la aplicacin de compuertas en este tipo de canales provocar, como toda singularidad, cambios en las caractersticas del escurrimiento, tanto aguas arriba como aguas debajo de la misma, los cuales son necesarios de analizar. Las diferentes formas de las compuertas dependen de su aplicacin, el tipo de compuerta a utilizar depender principalmente del tamao y forma del orificio, de la cabeza esttica, del espacio disponible, del mecanismo de apertura y de las condiciones particulares de operacin.

En el presente informe se analiza la experiencia realizada en el Tercer Laboratorio de Hidrulica II, realizado en las dependencias de la Universidad Catlica del Norte, el cual tuvo como objetivo entender el comportamiento del escurrimiento frente a las compuertas de fondo deslizantes verticales, evalundose para esto dos tipos de funcionamiento de la compuerta: Libre (resalto al pie). Ahogado (resalto incompleto).Se desprende entonces que la funcin principal de una compuerta es controlar el cauce del canal, fijando en la seccin en que se ubica, gastos requeridos y/o niveles de agua, los cuales estn gobernados por ecuaciones en las que intervienen las alturas de aguas antes y despus de la compuerta, pero fundamentalmente por el coeficiente de gasto Cc de la compuerta.

Existen diferentes tipos y pueden tener diferentes clasificaciones, segn su forma, funcin y su movimiento.Compuertas Planas Deslizantes:Se les llama compuertas deslizantes pues para su accionar se deslizan por unos rieles guas fijos. Puede ser movida por diferentes tipos de motores. Estas compuertas pueden ser de acero estructural, madera y en caso de pequeas cabeza de hierro, el espesor y el material de la compuerta depender de la presin del agua y el diseo de los sellos. Este tipo de compuertas han sido utilizadas para todo tipo de cabezas, pero resultan ser ms econmicas para pequeas cabezas y tamaos moderados pues necesitan grandes fuerzas para ser movidas.Compuertas Planas de Rodillos:Las compuertas planas de rodillos estn diseadas especialmente para controlar el flujo a travs de grandes canales donde la economa y la facilidad de operacin sean dos factores preponderantes. Son denominadas compuertas de rodillos ya que estn soportadas en rodillos que recorren guas fijas y generalmente tienen sellos de caucho para evitar filtraciones a travs de los rodillos. Los rodillos minimizan el efecto de la friccin durante la apertura y el cierre de las compuertas, como consecuencia de estos se necesita motores de menor potencia para moverlas. Pueden ser diseadas para abrirse hacia arriba o hacia abajo. Estas compuertas son muy verstiles ya que pueden disearse tanto para trabajar bajo presin en una o ambas caras simultneamente. Generalmente son de seccin transversal hueca, para disminuir la corrosin e infiltraciones son rellenadas con materiales inertes como el concreto.Los objetivos del laboratorio fueron:

Analizar las caractersticas que adopta un determinado escurrimiento frente a una singularidad como las compuertas, especficamente el caso de las compuertas deslizantes verticales. Estudiar la forma de operacin de las compuertas, dependiendo de la ubicacin del resalto con respecto a la compuerta. Visualizar la relacin altura caudal y la distribucin de presiones sobre la superficie de la compuerta. Determinar el coeficiente de la compuerta y compararlo con el valor terico.

2. MARCO TERICOLas compuertas son dispositivos utilizados en obras hidrulicas, que consisten en una placa mvil, plana o curva, las cuales se utilizan principalmente como elementos de control de gasto y operacin de canales. Estas compuertas al levantarse permiten regular la altura del orificio que forman, este orificio se produce entre el piso del canal y el borde inferior de la compuerta, por lo que su ancho es igual al del canal.Dependiendo de las condiciones de operacin, existen una gran cantidad de tipos, formas y diseos de compuertas. De acuerdo a lo anterior, el inters se centra principalmente en:

Relacin altura descarga

Distribucin de presiones sobre la superficie de la compuerta para sus diferentes posiciones.

Formas de sus bordes.

Las diferentes formas de los bordes influyen no slo en la distribucin de velocidad y presin, sino tambin sobre la prdida de energa y la probable produccin de vibraciones molestas para la operacin.

Sus objetivos son entonces:

Controlar el cauce del canal, fijando en esa seccin gastos y/o niveles de agua.

Mecanismos de operacin del canal.

Para una compuerta frontal plana existen tres formas de comportamiento:

Libre (resalto rechazado)

Figura N1: Funcionamiento libre, Resalto rechazado Libre (resalto al pie)

Figura N2: Funcionamiento libre, Resalto al pie Ahogado (resalto incompleto)

Figura N3: Funcionamiento ahogado, Resalto incompleto

Donde para todos los casos:h0: representa la altura de agua, aguas arriba de la compuerta.

h1: representa la altura de agua, aguas abajo de la compuerta.

h: altura de agua en la salida de la compuerta.

a: abertura de la compuerta.

Cc: coeficiente de gasto de la compuerta.

Para el anlisis de la singularidad se consideran las siguientes hiptesis: Canal rectilneo

Seccin prismtica

Rige la ley hidrosttica antes de la compuerta, con valor igual a h (comprobado empricamente)

No hay prdidas de energa antes de la compuerta y despus de ella y son constantes y aproximadamente iguales a 1 Ecuaciones para compuertas planas frontales:Balance de energa entre la seccin previa a la compuerta y la seccin inmediata despus de la compuerta:

De donde se desprende:

Entonces se debe analizar el valor de h para determinar si la compuerta funciona libre, al pie o ahogada.

Si se aplica la constancia de momenta despus de la compuerta y aguas abajo del resalto se tiene:

Donde:

wA = Ccab

AA = hb

w1 = A1 = h1b

yGA = h/2

yG1 = h1/2 Con lo que despejando se obtiene:

Con esta ecuacin, se determina el valor de h para el cual:

Si , la compuerta opera libre.

Si toma el valor de la expresin generada anteriormente y la compuerta opera ahogada.

Cuando se quiere determinar la altura a de la compuerta para dejar salir determinado gasto, se debe asumir que la compuerta opera libre, de este modo, de reemplaza directamente el valor de h por Cca en la primera ecuacin presentada, para la gran mayora de escurrimientos se tiene que Cc=0.611, constante determinada para cuando el valor del Reinlods de un flujo es mayor a 4000, caso casi general en conducciones de flujo abiertas.

Luego se debe verificar si efectivamente la compuerta opera libre, esto es determinando el valor de h de la segunda ecuacin, con el valor de a de la primera, y se este valor es mayo que la altura original, entonces se asumi bien la condicin de resalto rechazado.

Si el resalto es rechazado se tiene que:

Si el resalto no es rechazado se obtiene que:

Con estos resultados de H se puede calcular el caudal mediante la ecuacin:

Esta ltima ecuacin es la misma ecuacin antes obtenida al conservar la energa.

3. DESARROLLO Y RESULTADOSDescripcin de la Experiencia:

Esta experiencia se puede resumir en cuatro pasos, que incluyen la medicin del caudal y los dos tipos de funcionamiento de la compuerta, los cuales estn descritos en funcin de la ubicacin del resalto originado con respecto a la primera compuerta. Cabe mencionar, que en el primer tipo de funcionamiento se produce una vena, cuya contraccin puede ser asimilada a la de un orificio cuya contraccin es slo por el lado superior del escurrimiento.

Medicin de Caudal: Se realizan 2 aforos midiendo el tiempo transcurrido en que el agua sube una distancia de 1cm en un rea previamente determinada. Funcionamiento de compuerta libre con resalto al pie: Jugando con la abertura de la compuerta ubicada aguas abajo, se establece un escurrimiento tal que permita la formacin de un resalto ubicado al pie de la primera compuerta, el cual debe comenzar en el lugar donde se produce la contraccin mxima de la vena. Una vez logrado esto, se miden las alturas antes y despus de la compuerta.Funcionamiento de compuerta ahogada con resalto incompleto: Para este caso, se cierra un poco la compuerta ubicada aguas abajo, de tal forma que el resalto avance aguas arriba y ahogue levemente la primera compuerta. Logrado esto se miden las alturas de agua antes y despus de la compuerta, adems de la diferencia entre las superficies de antes y despus de la misma. Datos:Determinacin del gasto del canal.

Se realizaron 2 mediciones para determinar el caudal, midiendo el alza del nivel del estanque receptor a travs del tiempo.

T1V1T2V2

00,2273600,22736

230,45472230,45472

460,68208460,68208

680,90944690,90944

911,1368921,1368

1151,364161151,36416

Aforo N1

Aforo N2

Grfico N1: Clculo Caudal Aforo N1

Grfico N2: Clculo Caudal Aforo N2Se realiz una regresin lineal con cada grupo de mediciones, obtenindose un coeficiente de correlacin r = 1 para el segundo. Por lo tanto, se decidi que estas mediciones son las ms correctas.

Finalmente el caudal determinado es:

Datos seccin.Ancho basal:

Altura crtica:

Datos medidos.Compuerta libre (resalto al pie).

Compuerta ahogada (resalto incompleto).

Influencia del tipo de arista de la compuerta en la determinacin del coeficiente de contraccin de ella:Las aristas influyen en la distribucin de velocidad, presin y tambin sobre la prdida de energa. La arista produce una contraccin, es decir una reduccin en el rea de escurrimiento, que dependiendo de la forma de la arista es que esta rea se ver afectada por un coeficiente de contraccin.Suponiendo que las velocidades de los puntos A y B son vA y vB y considerando que el punto A est lo suficientemente alejado del orificio como para suponer que su velocidad vA es constante, aplicando Bernoulli al filete (AB) se tiene:

Si llamamos l a la anchura del orificio, la expresin del caudal es:

Se tomar, = 0,675, y si las aristas son redondeadas, = 0,7.Para calcular el caudal en las compuertas de fondo, se emplea la formulacin anterior, aunque en realidad, por existir contraccin en la arista superior del rectngulo, deber tomarse un coeficiente de contraccin incompleta.

Como se comprob en el anlisis anterior las compuertas con aristas redondeadas tienen un coeficiente de contraccin mayor que las compuertas de arista viva.

Esto se debe a que las aristas redondeadas mantienen un mayor contacto con la vena lquida lo que produce una oposicin a la contraccin.

Calculo del coeficiente de la compuerta Cc, justificando su determinacin: Compuerta libre (resalto al pie).

(1)

(2)

Reemplazando (2) en (1) se tiene:

Compuerta ahogada (resalto incompleto).

(1)

(2)Reemplazando (2) en (1) se tiene:

Se debe asignar a la compuerta un coeficiente de contraccin nico independiente del funcionamiento de esta, por lo tanto se escoger un promedio de los valores obtenidos en cada experiencia.

Finalmente:

Se determinar por diferencia la altura h. Se comparar este valor experimental con el valor terico. Para los clculos anteriores se utiliz el valor de Cc determinado en forma terica y experimental.

Funcionamientoh` prcticoh` terico

m=0,611m=0,669

Libre0,02320,03220,0441

Ahogada0,0930,04920,0577

Se realizar el clculo de las alturas de agua, usando como dato de partida la altura de carga de la compuerta y los datos anexos necesarios para determinar la altura en la zona prxima de control. Luego se compararn los clculos tericos con los datos experimentales.

FuncionamientoPrcticostericos (m=0,611)

h`h1 h`h1

Libre0,02320,0950,02130,0914

Ahogada0,0930,1030,04340,1000

Esquemas de la compuerta funcionando ahogada y libre.

Compuerta Libre con resalto al pie.

Valores Prcticos

Valores tericos

Compuerta ahogada, resalto incompleto.

Valores Prcticos

Valores tericos

4. OBSERVACIONES

La experiencia de compuertas revela la importancia de las mediciones de las alturas de agua (alturas conjugadas del resalto). Esto se aprecia claramente en los resultados obtenidos, en la cual los valores experimentales deben oscilar en torno a los valores tericos.

La deficiencia en la recopilacin de antecedentes referidos a las mediciones de las propiedades geomtricas del canal, abertura de la compuerta, alturas de agua y caudal, influyen drsticamente en la correcta evaluacin y determinacin de fenmenos de gran importancia como los resaltos y el funcionamiento de las compuertas.

Se mencionan a continuacin algunos comentarios sobre algunas mediciones realizadas:

Durante las mediciones del resalto al pie de la compuerta, este comenz a desplazarse. Al no estar estable sus caractersticas variaron, por esta razn se tomaron 2 medidas de h1.

Para realizar los clculos se utiliz h1 = 0,095 [m], ya que segn se recuerda durante la segunda medicin el resalto comenz a ahogar la compuerta.

En el desarrollo la experiencia de laboratorio, cuando se indujo al funcionamiento libre de la compuerta, no se midi el valor de h`. Por esta razn no se tiene un valor experimental para esta variable, sin embargo, debido a que el resalto se desarrollo al pie de la compuerta se puede decir que el valor prctico sera:

h = Cc*a, en donde m = 0,669 (valor prctico).

Se debi utilizar un caudal pequeo, debido a que los rieles que sostenan la compuerta no soportaron la presin que generaba sobre ellos un caudal ms grande. Para medir la altura h` con la compuerta funcionando ahogada, se tuvo que utilizar una regla ya que el piezmetro que registraba esa altura se quebr durante la experiencia.

5. CONCLUSIONESLo importante de esta experiencia es apreciar qu factores pueden afectar el tipo y ubicacin del resalto, como tambin de qu forma funciona la compuerta frente a un determinado tipo de resalto.

Variando la abertura de la compuerta aguas abajo y segn la pendiente que posea el canal, el resalto se producir ms prximo o ms lejano de la compuerta a evaluar (primera compuerta). Adems, segn donde se produzca el resalto se puede decir de qu tipo es el resalto (al pie, rechazado o incompleto) y como esta funcionando la compuerta (libre o ahogada).

Esta experiencia permiti apreciar con claridad la existencia de elementos capaces de alterar los tipos de escurrimientos, variando las condiciones energticas segn sean las necesidades para las condiciones de diseo que se desean obtener.

Compuerta Libre.

Como se mencion anteriormente en las observaciones, durante las mediciones en laboratorio se pudo notar que el resalto generado al pie de la compuerta no se encontraba estable lo que provoc una modificacin en sus alturas de agua y un desplazamiento hacia la compuerta. Estos cambios se produjeron entre una medicin y otra, por lo tanto en la prctica se tomaron medidas de dos resaltos distintos.

Al realizar los clculos de resalto se pudo comprobar que las mediciones obtenidas durante la experiencia no son del todo correctas. En especial cuando se realizaron clculos que el los que intervena el valor h1 los resultados se alejaron bastante de los tericos. La altura de carga de la compuerta es mas estable ante los cambios por lo que no hubo problemas con el valor tomado para h0.Compuerta Ahogada.

Cuando se midi el resalto generado por la compuerta ahogada, este ya se encontraba estabilizado por lo que fue ms fcil medir las alturas a ambos lados de la compuerta. Sin embargo, al determinar la altura h`, inmediatamente despus de la compuerta no se contaba con un piezmetro que determinara una altura de agua ms o menos estable, debido a esta razn y a la gran turbulencia que genera el resalto en esa zona no se obtuvo una medicin muy exacta.

Clculo del coeficiente de contraccin.Al calcular Cc se puede observar que los valores obtenidos, tanto con la compuerta libre (Cc = 0,697) como ahogada (Cc = 0,641), se aproximan al valor terico Cc = 0,611.

El coeficiente Cc de la compuerta libre se aleja un poco ms del valor esperado, pero esta variacin es atribuible a los errores mencionados anteriormente, debido a que los clculos estn basados en h1.

Clculo de h`, utilizando conservacin de Momenta.

En este punto es donde se generan mayores diferencias entre los datos tomados en laboratorio y los valores esperados segn la teora. Estos se puede deber a dos factores, en el resaltos al pie por los errores de medicin ya mencionados y en el resalto incompleto por la poca precisin con que se midi h` en el laboratorio. En este caso no se pudo comprobar experimentalmente que en la seccin de la vena contrada rige la presin hidrosttica con la altura h, debido a las grandes diferencias entre las mediciones y los clculos tericos (entre 3 a 4 [cm] en el caso de la compuerta ahogada).

Clculo de las alturas h` y h1, utilizando igualacin de energa.En este punto no hubo mayores problemas ya que las mediciones de las cuales se tiene duda no se incluyeron en los clculos, y por lo tanto los valores tericos son muy similares a los experimentales.Si se comprueba el funcionamiento de la compuerta con estos valores efectivamente el primer resalto da al pie de la compuerta, con h` Cca, y el segundo evidencia que la compuerta est trabajando ahogada con h`> Cca. Finalmente se puede decir que las diferencias entre los resultados obtenidos en forma experimental y terica en general son del orden de 0,001 [m], lo que no es demasiado si compara con la precisin de los instrumentos de medicin.6. ANEXOS

Imgenes de las experiencias realizadas en el laboratorio:

Imagen N 1 Canal Rectangular Imagen N 2 Resalto al pie

Imagen N 3 Resalto ahogado Imagen N 4 LimnmetroInstrumentos Utilizados:

Cronmetro:

El cronmetro es un reloj o una funcin de reloj que sirve para medir fracciones de tiempo, normalmente cortos y con gran precisin.

Empieza a contar desde 0 cuando se le pulsa un botn y se suele parar con el mismo botn.

Imagen N5: Cronmetro

Flexmetro:

El flexmetro es un instrumento que se utiliza para medir longitudes, las ms tpicas estn fabricadas de una cinta cncava de metal, que tiene un pequeo gancho en la punta. Se enrolla dentro de un contenedor que puede ser de plstico o metal y tiene un mecanismo que la traba hasta que se suelta y se vuelve a enrollar.

Imagen N6: Flexmetro

Limnmetro:

El limnmetro es un instrumento utilizado para la medicin de las alturas de escurrimiento. El nivel del agua puede medirse con un limnmetro vertical o inclinada, los cuales pueden colocarse directamente sobre el canal o en un pozo de amortiguacin. Este tipo de instrumento se emplea cuando no se requiere una alta precisin en las lecturas y la medicin de caudal es espordica. Cuando el dispositivo de medicin se coloca directamente en el canal es importante que ste sea instalado de tal forma que no interfiera con las lneas de flujo.

Imagen N7: Escala Limnimtrica

Cc = 0,611

Cc = 0,669

y = ax + b

a = 0,00989

b = 0,2236

r = 1,00000

y = ax + b

a = 0,00993

b = 0,2279

r = 0,99994

Cc = 0,611

Cc = 0,669

El resalto comienza en el lugar donde

se produce la contraccin mxima.

El resalto comienza a una distancia do de la contraccin mxima.

1

_1214501727.unknown

_1214502816.xlsGrfico2

0.22736

0.45472

0.68208

0.90944

1.1368

1.36416

Tiempo [seg]

Volumen [m^3]

Aforo N2

Hoja1

t1t2Q1

10000.22736

2023230.45472

3046460.68208T1Q1T2Q2

4068690.9094400.2273600.22736

5091921.1368230.45472230.45472

601151151.36416460.68208460.68208

680.90944690.90944

911.1368921.1368

1151.364161151.36416

FuncionamientoPrcticotericos (m=0,628)

h`h1h`h1

Libre0,02324*0.0950.02750.09147

Ahogada0.0930.1030.04960.102

Hoja1

0

0

0

0

0

0

Tiempo [seg]

Volumen [m^3]

Aforo N 1

0

0

0

0

0

0

Tiempo [seg]

Volumen [m^3]

Aforo N2

_1214504106.unknown

_1214574444.unknown

_1214576412.unknown

_1214504505.unknown

_1214504524.unknown

_1214504263.unknown

_1214503794.unknown

_1214503813.unknown

_1214503719.unknown

_1214501806.unknown

_1214502777.xlsGrfico3

0.22736

0.45472

0.68208

0.90944

1.1368

1.36416

Tiempo [seg]

Volumen [m^3]

Aforo N 1

Hoja1

t1t2Q1

10000.22736

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5091921.1368230.45472230.45472

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911.1368921.1368

1151.364161151.36416

FuncionamientoPrcticotericos (m=0,628)

h`h1h`h1

Libre0,02324*0.0950.02750.09147

Ahogada0.0930.1030.04960.102

Hoja1

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0

0

0

0

0

Tiempo [seg]

Volumen [m^3]

Aforo N 1

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0

0

0

0

Tiempo [seg]

Volumen [m^3]

Aforo N2

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