Date post: | 03-Oct-2015 |
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SALTO HIDRAULICO[ ] Mec. Fluidos II
INTRODUCCIN
El estudio del comportamiento de un fluido, particularmente agua, a travs de un
canal abierto, representa mucha importancia en las condiciones que se toman en
cuenta al momento del diseo y mantenimiento del medio de conduccin del
fluido, como es en este caso el canal.
Las fases y comportamientos del fluido a travs del canal y de las estructuras
hidrulicas que presenta, como son el salto hidrulico, el fenmeno de cavitacin,
capa lmite, repercuten en la superficie del canal, haciendo de vital importancia su
estudio.
En el presente informe se detalla la observacin y comparacin de clculos
referidos al experimento, mediante los datos obtenidos, al experimentar con un
fluido a travs de un equipo que representa adecuadamente el comportamiento
del fluido referido a travs de un canal abierto, tomando en cuenta diversas
estructuras hidrulicas representadas.
SALTO HIDRAULICO[ ] Mec. Fluidos II
OBJETIVOS
Calcular el nmero de Froude, el tirante Y2, las energas especficas, la
perdida de Energa entre Y1 y Y2 y la longitud del salto hidrulico.
Observar y analizar el comportamiento que toma el fluido, debido a la
intervencin de estructuras hidrulicas en su recorrido.
SALTO HIDRAULICO[ ] Mec. Fluidos II
MARCO TEORICO
Un canal es una estructura destinada al transporte de fluidos, generalmente
utilizada para agua, y que, a diferencia de las tuberas, es abierta a la
atmsfera. Tambin se utilizan como vas artificiales de navegacin. La
descripcin del comportamiento hidrulico de los canales es una parte
fundamental de la hidrulica y su diseo pertenece al campo de la ingeniera
hidrulica, una de las especialidades de la ingeniera civil.
Una caracterstica importante es que tiene que haber una pendiente del
conducto para que se d el flujo, es decir el escurrimiento depende de la
gravedad.
ELEMENTOS DE LA SECCIN DE UN CANAL:
Tirante: la profundidad del flujo (h) es la distancia vertical del punto ms bajo
de la seccin del canal a la superficie libre.
Ancho superior: el ancho superior (T) es el ancho de la seccin del canal en
la superficie libre.
rea mojada:el rea mojada (A) es el rea de la seccin transversal del flujo
normal a la direccin del flujo.
Permetro mojado:el permetro mojado (P) es la longitud de la lnea de la
interseccin de la superficie mojada del canal con la seccin transversal
normal a la direccin del flujo.
A
SALTO HIDRAULICO[ ] Mec. Fluidos II
Radio hidrulico: el radio hidrulico (R) es la relacin entre el rea mojada y
el permetro mojado, se expresa como: R = A / P
Profundidad hidrulica: la profundidad hidrulica (D) es la relacin del rea
mojada con el ancho superior, se expresa como: D = A / T
Factor de la seccin: el factor de la seccin (Z), para clculos de
escurrimiento o flujo crtico es el producto del rea mojada con la raz
cuadrada de la profundidad hidrulica, se expresa como: Z = A. SQRT (D).
TIPOS DE FLUJO:
- Flujo permanente; un flujo permanente es aquel en el que las propiedades fluidas
permanecen constantes en el tiempo, aunque pueden no ser constantes en el
espacio.
Las caractersticas del flujo, como son: Velocidad (V) y tirante (h), son
independientes del tiempo, si bien pueden variar a lo largo del canal.
- Flujo transitorio; un flujo transitorio presenta cambios en sus caractersticas a lo
largo del tiempo para el cual se analiza el comportamiento del canal. Las
caractersticas del flujo son funcin del tiempo;
Las situaciones de transitoriedad se pueden dar tanto en el flujo subcrtico, como en
el supercrtico.
- Flujo uniforme; es el flujo que se da en un canal recto, con seccin y pendiente
constante, a una distancia considerable (20 a 30 veces la profundidad del agua en el
canal) de un punto singular, es decir un punto donde hay una mudanza de seccin
transversal ya sea de forma o de rugosidad, un cambio de pendiente o una variacin
en el caudal.
- Flujo variado; si la profundidad de flujo cambia a lo largo del canal. El flujo variado
puede ser permanente o no permanente. El flujo variado puede clasificarse adems
SALTO HIDRAULICO[ ] Mec. Fluidos II
como rpidamente variado o gradualmente variado. El flujo es rpidamente
variado si la profundidad del agua cambia de manera abrupta en distancias
comparativamente cortas; de otro modo es gradualmente variado. Un flujo
rpidamente variado tambin se conoce como fenmeno local; algunos ejemplos
son el resalto hidrulico y la cada hidrulica.
SECCIONES TIPO DE CANALES ABIERTOS:
RESALTO HIDRULICO COMO DISIPADOR DE ENERGA
Efecto de la gravedad. El efecto de la gravedad sobre el estado de flujo se
representa por la relacin entre las fuerzas inerciales y las fuerzas gravitacionales.
Esta relacin est dada por el Nmero de Froude, definido como:
Donde, v es la velocidad de flujo, g es la aceleracin de gravedad y D es la
profundidad hidrulica,
Donde, A es el rea mojada y T es el ancho de la superficie
Clasificacin del flujo respecto al rgimen de velocidad
Flujo Sper crtico: en este estado el papel jugado por las fuerzas inerciales
es ms pronunciado presenta una velocidad de flujo muy alta, una
profundidad de flujo baja y se genera en condiciones de pendiente alta.
SALTO HIDRAULICO[ ] Mec. Fluidos II
Flujo Crtico: rgimen de flujo intermedio, se caracteriza por generar alta
inestabilidad en el flujo, no es recomendable para el diseo.
Flujo Suscritico: en este estado el papel jugado por las fuerzas
gravitacionales es ms pronunciado por lo tanto se presenta una velocidad
de flujo baja, tiene una profundidad de flujo alta y se genera en condiciones
de baja pendiente.
Linea de energa
TORRENTE
y1
V1
2gE1
SALT
O
HIDRA
LICO
RO
y2
V2
2g
E2
E = E + h1 2 f
h = (? E)f 1-2
RESALTO HIDRALICO COMO
DISIPADOR DE ENERGA
= (E)
1-2
SALTO HIDRAULICO[ ] Mec. Fluidos II
SALTO HIDRULICO
El salto hidrulico es el ascenso brusco del nivel del agua que se presenta en un
canal abierto a consecuencia del retardo que sufre una corriente de agua que fluye
a elevada velocidad y pasa a una zona de baja velocidad. Este fenmeno presenta
un estado de fuerzas en equilibrio, en el que tiene lugar un cambio violento del
rgimen de flujo, de supercrtico a subcrtico.
Figura 1. Volumen de control en el resalto hidrulico, fuerzas hidrostticas (Fh) y
fuerzas dinmicas (Fd).
En la seccin 1, actan las fuerzas hidrosttica F1h y dinmica F1d; en forma
similar pero en sentido contrario en la seccin 2, F2h y F2d. En ambas secciones
la sumatoria de fuerzas da como resultado F1 y F2 respectivamente. En el estado
de equilibrio, ambas fuerzas tienen la misma magnitud pero direccin contraria (la
fuerza F1h es menor a F2h, inversamente F1d es mayor a F2d). Debido a la
posicin de las fuerzas resultantes, ambas estn espaciadas una distancia d, lo
cual genera un par de fuerzas de la misma magnitud pero de sentido contrario. En
razn a la condicin de lquido, las partculas que lo componen adquirirn la
tendencia de fluir en la direccin de las fuerzas predominantes, presentndose la
mezcla del agua con lneas de flujo superficiales movindose en sentido contrario
a la direccin de flujo y de manera inversa en la zona cercana a la solera. El
repentino encuentro entre las masas de lquido y el inevitable choque entre
SALTO HIDRAULICO[ ] Mec. Fluidos II
partculas, provocan la generacin de un medio lquido de gran turbulencia que da
lugar a la absorcin de aire de la atmsfera, dando como resultado un medio
mezcla agua-aire.
Analizando el volumen de control contenido entre las secciones 1-2 se tiene que la
fuerza de momentum por unidad de longitud, para un canal rectangular est dada
por:
21
=1
2(1 + 82 1) =
Ecuacin de un salto hidrulico en un canal rectangular .la relacin entre los
tirantes conjugados 2
1 es una funcin del nmero de FROUDE .
Las profundidades Y1 y Y2, se llaman profundidades conjugadas o secuentes, y
tienen la particularidad que la funcin Momentum (M) es la misma para ambas
profundidades, mientras que existe una variacin de la energa especfica, debida
a la prdida de energa producida por el resalto, como se observa en la Figura
SALTO HIDRAULICO[ ] Mec. Fluidos II
PRINCIPALES CARACTERSTICAS DEL SALTO HIDRULICO
Calculo de F (N de Froude)
yg
VF
.
Dnde:
V = Velocidad media de Y1.
y1 y y2 = Tirantes conjugado.
g = Aceleracin de la gravedad (9.8 m/s2).
Perdida de Energa
La prdida de energa en el salto es igual a la diferencia en energa
especifica antes y despus de salto.
SALTO HIDRAULICO[ ] Mec. Fluidos II
La relacin E/E1 se conoce como perdida relativa.
Eficiencia
Es la relacin entre la energa especifica antes y despus del salto.
La eficiencia de un salto es una funcin adimensional que depende del
nmero de Froude del flujo de aproximacin.
Altura del Salto
Es la diferencia entre las profundidades antes y despus del salto.
Con hj/E1, altura relativa y y1/E1y y2/E2 la profundidad inicial y secuente
relativa respectivamente. Todas estas relaciones son funciones
adimensionales de F1
SALTO HIDRAULICO[ ] Mec. Fluidos II
PRACTICA DE LABORATORIO
EQUIPO
FME09 - MDULO DE VISUALIZACIN DE FLUJO EN CANALES.
FME00 - BANCO HIDRULICO.
PROBETA GRADUADA.
CRONOMETRO.
PROCEDIMIENTO
Instalar el equipo en el banco hidrulico
Nivelar el equipo con ayuda de los pies ajustable y un nivelador de burbuja.
Poner en marcha la bomba para que el agua empiece a circular por el canal,
estando la vlvula de control, poniendo en su lugar el correspondiente tornillo.
Se llena el reservorio, al abrir la compuerta, se aprecia el flujo bajo
compuertas, al no tener ninguna rugosidad, muestra el gran tamao del
salto hidrulico, que no pude ser observado su inicio y fin debido a baja
altura y longitud larga, es decir es muy prolongado.
SALTO HIDRAULICO[ ] Mec. Fluidos II
Al crear rugosidades mediante una parte del equipo acoplada en el
desemboque del canal, se logra observar un salto hidrulico de menor
longitud pero ms pronunciado verticalmente. Lo cual es conveniente en el
caso real ya que el rea de refuerzo del canal es menor.
Se acoplan vertederos al equipo, para representar los distintos tipos de
vertederos, como son: vertederos de cada vertical, vertederos de Cresta
ancha.
Se coloca primero un vertedero de cresta afilada, al intervenir el vertedero en el
flujo crea diferentes tipos de flujo: flujo uniforme, flujo gradualmente variado, flujo
rpidamente variado.
Al aplicar el dispositivo de rugosidad al final del canal, confina al salto hidrulico
a un espacio pequeo para poder ser observado.
Se observa que el agua se pega al vertedero haciendo un fenmeno conocido
como socavacin, para contrarrestar este fenmeno en el experimento se aplica
un sistema de aireacin con un tornillo equipado el dispositivo.
SALTO HIDRAULICO[ ] Mec. Fluidos II
Se realizan mediciones de los tirantes respectivos en el salto hidrulico, el
tirante conjugado mayor es difcil de medir debido a las fluctuaciones, sin
embargo es factible medir el tirante conjugado menor, con lo que puede
darse un clculo muy aproximado del tirante conjugado mayor y la longitud
del salto hidrulico.
Para otra medicin y visualizacin de salto hidrulico se cambia a un
vertedero de cresta ancha, igualmente se genera rugosidades al final del
canal para reducir la longitud de salto hidrulico, se toman las mediciones
correspondientes para efectuar los clculos de comparacin
SALTO HIDRAULICO[ ] Mec. Fluidos II
DATOS INCIALES:
Dimetro interno de la tubera de visualizacin:
= 10
Temperatura del agua:
= 22C
rea del tubo de visualizacin
= 78.53981 2
Viscosidad cinemtica:
= 0.00000964 m2
s
SALTO HIDRAULICO[ ] Mec. Fluidos II
ANALISIS DE LAS MEDICIONES Y SUS CALCULOS
DATOS OBTENIDOS
= , = . = = .
volumen ml vol. Litros volum. M3 tiempo Q litros/s Q m3/s Qprom
(lit/s)
Qprom
(m3/s)
1 641 0.641 0.000641 2.91 0.220274914 0.000220275 0.222176909 0.00022218
2 669 0.669 0.000669 3 0.223 0.000223
3 576 0.576 0.000576 2.58 0.223255814 0.000223256
Promedios 628.6666667 0.628666667 0.000628667 2.83
SALTO HIDRAULICO[ ] Mec. Fluidos II
CALCULAMOS EL N DE FROUDE
F =V
gy , pero:
V =Q
A=
Q
by
F =
Qby
gy=
0.000222180.015x0.010
9.81 0.010= 4.7291
> 1
EL TERICAMENTE
21
=1
2(1 + 82 1)
2 = 1(1+821)
2
2 = 1(1 + 8(4.7291)2 1)
2
2 = 6.2066
= . ..terico
= . .prctica
CALCULO DE LA LONGITUD SALTO HIDRULICO
volumen tiempo caudal caudal en
m3/s
Y1 en
cm
Y2 en
cm
long.SaltoHid.
Cm
1 628.6666667 2.83 220.274914 0.00022218 1 . .
SALTO HIDRAULICO[ ] Mec. Fluidos II
= . ( )
= . ()(. )
= .
Longitud medida en prctica es de 20 cm
Longitud calculada es de 30.95 cm
CLCULO DE ENERGA ESPECFICA
En primer lugar se procedi a calcular el caudal.
t (s) V (ml) Q (m3/s)
2.83 628.6666667 0.00022218
Consideraciones:
Seccin rectangular de ancho de solera: b= 0.015m
rea de la seccin: A = 0.015y
De la ecuacin de energa especifica: E = y +Q2
2gA2
= +(0.00022218)
. (. ) . ()
Para el tirante normal: Y1 = 0.01m
= . +(0.00022218)
. (. . )
E1 = 0.121822295617 m. Kg/Kg
SALTO HIDRAULICO[ ] Mec. Fluidos II
= +0.00022218
. (. ) . ()
Para el tirante normal Y2 = 0.062066m
E2 = 0.062066 +(0.00022218)2
2 9.81 (0.015 0.062066)2
E2 = 0.0649688252329 m. Kg/Kg
CLCULO DE LA PERDIDA DE ENERGA
E= E1 E2
E= 0.121822295617 0.0649688252329
E =0.0568534703841
PARA EL RGIMEN CRTICO
Para rgimen crtico, las condiciones estn dadas por la ecuacin:
Q2
g=
Ac3
Tc
Para una seccin rectangular se tiene que: A=by, T=b, lo cual se reemplaza en la
ecuacin anterior y se obtiene: yc = Q2
gb2
3
yc = (0.00022218)2
9.81 (0.015)23
= .
= . +(0.00022218)2
2 9.81 (0.015 . )2
= .
SALTO HIDRAULICO[ ] Mec. Fluidos II
CONCLUSIONES
CARACTERSTICAS
HIDRULICAS
TEORICO PRACTICO
FROUDE 4.7291
TIRANTE (y2) . .
PERDIDA DE ENERGIA 0.056853
LONGITUD DEL SALTO . 20