Reporte 4_entrega (2)

7/29/2019 Reporte 4_entrega (2)

1/20

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALAFACULTAD DE INGENIERAESCUELA DE CIVILLABORATORIO DE HIDRAULICAING. CARLOS SALVADOR GORDILLOGRUPO: 2.1

PRCTICA NO. 4ENERGA ESPECFICA Y RESALTO HIDRULICO

INTEGRANTES:2004-13725 NICOLAS VASQUEZ TOBAR2006- 11459 JOSE RICARDO TIUL2008-19223 VICTOR MAGDIEL DE LEON2008-19333 ESDRAS DE LA CRUZ CARAZO


2/20

INTRODUCCINEl resalto hidrulico es un fenmeno que se presenta exclusivamente en canales, es

una sobre elevacin de la superficie lquida cuando un flujo de agua que viaja argimen supercrtico, choca o alcanza a una masa de agua que fluye en rgimensubcrtico; presentndose abruptamente el cambio de rgimen, acompaado de unaturbulencia mayor, disipando energa y realizando una inclusin de aire en la masalquida.

Para que el resalto hidrulico realmente se produzca, es necesario que los dos tirantesconjugados que lo acompaan (mayor y menor), sean diferentes del crtico.

Adems, el salto debe ser estable, con lo cual las fuerzas que lo acompaan deben

estar en equilibrio y debe conservarse el momentum de una seccin a otra a esto sele denomina FUERZA ESPECFICA. La funcin momentum depende nicamente dela seccin del canal y del tirante, existen ecuaciones y procedimientos especficos desolucin al problema del salto hidrulico para cada tipo de seccin de canal.


3/20

OBJETIVOSI. GENERALES:a) Determinar de manera experimental las caractersticas que se visualizan en el

resalto hidrulico simple, es decir, los tirantes conjugados y la longitud de salto.

b) Determinar con el auxilio de equipos de laboratorio el resalto hidrulico en suforma forzada.

II. ESPECFICOS:a) Analizar la formacin del resalto hidrulico.b) Identificar el flujo crtico, flujo subcrtico y flujo supercrtico.c) Representar grficamente la energa especfica para el resalto hidrulico.d) Determinar las caractersticas hidrulicas de un resalto hidrulico.

MARCO TERICO


4/20

CLASIFICACIN DEL FLUJO RESPECTO AL RGIMENDE VELOCIDAD

Flujo Supercrtico: en este estado el papel jugado por las fuerzas inerciales es mspronunciado presenta una velocidad de flujo muy alta, una profundidad de flujo baja y

se genera en condiciones de pendiente alta.

Flujo crtico: rgimen de flujo intermedio, se caracteriza por generar altainestabilidad enel flujo, no es recomendable para el diseo.Flujo subcrtico: en este estado el papel jugado por las fuerzas gravitacionales es mspronunciado por lo tanto se presenta una velocidad de flujo baja, tiene unaprofundidadde flujo alta y se genera en condiciones de baja pendiente.

Figura 1. Tipos de Flujo respecto al rgimen de velocidad

Flujo subcrtico Flujo crtico Flujo supercrtico

Para F = 1 el flujo es crtico, cuando F < 1 el flujo es subcritico, y si F > 1 el flujo es

supercrtico.

ENERGA ESPECFICA

Es igual a la suma de la profundidad del agua ms la altura de la velocidad en una seccinde canal (E = y + V2/2g). Cuando la profundidad de flujo se grafica contra la energaespecfica para una seccin de canal y un caudal determinados, se obtiene una curva deenerga especfica; para una energa especfica determinada, existen dos posiblesprofundidades la profundidad baja y1 y la profundidad alta y2. La profundidad alta es laprofundidad alterna de la profundidad baja y viceversa. En el estado crtico (c) las

profundidades alternas se convierten en una la cual es conocida como profundidadcrtica yc. Cuando la profundidad de flujo es mayor que la profundidad critica, lavelocidad de flujo es menor que la velocidad critica para un caudal determinado y elflujo es subcrtico. Cuando la profundidad de flujo es menor que la profundidad critica,el flujo es supercrtico. Por tanto y1 es la profundidad de un flujo supercrtico y y2 es laprofundidad de un flujo subcrtico.

COEFICIENTES DE DISTRIBUCIN DE VELOCIDAD


5/20

Como resultado de la distribucin no uniforme de velocidades en una seccin de canal,la altura de velocidad de un flujo en canales abiertos es por lo general mayor que el valorcalculado de acuerdo con la expresin V2/2g. A partir del principio de mecnica, elmomentum de un fluido que pasa a travs de una seccin de canal por unidad de tiempose expresa por wQV/g, donde es conocido como coeficiente de momentum, w es elpeso unitario del agua, Q es el caudal, V es la velocidad media. El valor de para canalesprismticos (canal construido con una seccin transversal invariable y una pendiente defondo constante) rectos vara desde 1.01 hasta 1.12. Para canales de seccin transversalregular y alineamiento ms o menos recto, el efecto de la distribucin no uniforme develocidades en el clculo del momentum es pequeo y el coeficiente se supone como launidad. En canales con secciones transversales complejas se requerirn mediciones de lavelocidad real para determinar el coeficiente de momentum. El coeficiente por logeneral es mayor en canales empinados que en canales con pendientes bajas.

MOMENTUM DEL FLUJO EN CANALES ABIERTOS

De acuerdo con la segunda ley de Newton, el cambio de momentum por unidad de tiempoen el cuerpo de agua en un canal es igual a la resultante de todas las fuerzas externas queactan sobre el cuerpo.

El principio de momentum tiene ventajas de aplicacin a problemas que involucran grandescambios en la energa interna, como el problema del resalto hidrulico. Si la ecuacin de laenerga se aplica, las prdidas de energa internas desconocidas representadas por hf sonindeterminadas y su omisin resultara en error. Si se aplica la ecuacin de momentum,debido a que esta solo tiene en cuenta fuerzas externas, los efectos de las fuerzas internas no

tendran que ser evaluados. El trmino para las prdidas por friccin debido a las fuerzasexternas es poco importante y puede omitirse debido a que el fenmeno ocurre en untramo corto del canal y los efectos debido a las fuerzas externas son insignificantes encomparacin con las prdidas internas.

El resalto hidrulico es el ascenso brusco del nivel del agua que se presenta en un canalabierto a consecuencia del retardo que sufre una corriente de agua que fluye a elevadavelocidad. Este fenmeno presenta un estado de fuerzas en equilibrio, en el que tienelugar un cambio violento del rgimen de flujo, de supercrtico a subcrtico.

Este involucra una prdida de energa relativamente grande mediante disipacin en elcuerpo turbulento de agua dentro del resalto. En consecuencia, el contenido de energaen el flujo despus del resalto es apreciablemente menor que el de antes del mismo.

La profundidad antes del resalto es siempre menor que la profundidad despus delresalto. La profundidad antes del resalto se conoce como PROFUNDIDAD INICIAL y1, ydespus del resalto se conoce como PROFUNDIDAD SECUENTE y2. Entonces, laenerga especfica E1 correspondiente a la profundidad inicial y1 es mayor que la energaespecfica E2 correspondiente a la profundidad secuente y2 en una cantidad igual a laprdida de energa E.

Figura 2. Resalto hidrulico interpretado mediante las curvas de energa especficaY fuerza especfica


6/20


7/20

TIPOS DE RESALTO

El Bureau of Reclamation investig diferentes tipos de resalto hidrulico en canaleshorizontales, cuya base de clasificacin es el nmero de Froude F1 del flujo entrante:

F1 = 1, el flujo es crtico, por lo que no se forma resalto.F1 = 1 a 1.7, la superficie de agua muestra ondulaciones y se presenta el resalto hidrulicoondulante.

F1 = 1.7 a 2.5, el ondulamiento de la superficie en el tramo de mezcla es mayor, sepresenta una serie de remolinos sobre la superficie del resalto, pero la superficie del agua

hacia aguas abajo permanece uniforme. La velocidad a travs de la seccin esrazonablemente uniforme y la prdida de energa es baja. Se presenta el resalto hidrulicodbil.

F1 = 2.5 a 4.5, existe un chorro oscilante que entra desde el fondo del resalto hasta lasuperficie y se devuelve sin ninguna periodicidad. Cada oscilacin produce una ondagrande con periodo irregular, muy comn en canales, que puede viajar a gran distanciacausando daos ilimitados a bancas de tierra y a enrocados de proteccin. Se produce elresalto hidrulico oscilante.

F1 = 4.5 a 9.0, la extremidad de aguas abajo del remolino superficial y el punto sobre elcual el chorro de alta velocidad tiende a dejar el flujo ocurren en la misma seccin

0

30

2

8

2

6

2

4

2

2

2

0

1

8

16

1

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

111

2

11

2

/

1812

1

gyvF

Fy

y

y2

y1

v1

v2

Valores de F1

Valores de

y2/y1


8/20

vertical. La accin y la posicin de este resalto son menos sensibles a la variacin en laprofundidad de aguas abajo. El resalto se encuentra bien balanceado, con mayorestabilidad y el rendimiento es mejor. La disipacin de energa vara de 45 % a 70 %. Sepresenta resalto hidrulico permanente o estable.

F1 9, el chorro de alta velocidad choca con paquetes de agua intermitentes que correnhacia abajo a lo largo de la cara frontal del resalto, generando ondas hacia agua abajo.

Existe gran ondulacin de la superficie con tendencia de traslado de la zona de rgimensupercrtico hacia aguas abajo. La accin del resalto es brusca pero efectiva debido a quela disipacin de energa puede alcanzar un 85%. Se produce el resalto hidrulico fuerte.

CARACTERSTICAS BSICAS DEL RESALTO HIDRULICO

Las caractersticas del resalto hidrulico han sido aprovechadas para reducir lasvelocidades de flujo en canales a valores que permitan el escurrimiento sin ocasionartensiones de corte superiores a los lmites permitidos por los materiales que componenel permetro mojado. El lugar geomtrico en el que se presenta el resalto se denominacolchn hidrulico. Se han investigado diferentes formas de colchones hidrulicos con elobjeto de lograr una mejor disipacin de energa en una menor longitud. Para el diseode colchones hidrulicos se consideran los siguientes aspectos.

PRDIDA DE ENERGA

En el resalto hidrulico la prdida de energa es igual a la diferencia de las energasespecficas antes y despus del resalto

21

2

12

21

4 yy

yyEEE

EFICIENCIA

Es la relacin entre la energa especfica antes y despus del resalto, es una funcinadimensional y depende slo del nmero de Fraude del flujo de aproximacin.

2

1

2

1

2

1

23

2

1

1

2

28

1418

FF

FF

E

E

ALTURA DEL RESALTO

Es la diferencia entre las profundidades antes y despus del resalto.

12yyhj

LONGITUD DEL RESALTO HIDRULICO


9/20

Un parmetro importante en el diseo de obras hidrulicas es la longitud delresalto, que definir la necesidad de incorporar obras complementarias para reducir estalongitud y/o aplicar medidas de proteccin de la superficie para incrementar suresistencia a las tensiones de corte.

La longitud del resalto puede definirse como la distancia medida desde la carafrontal del resalto y1 hasta un punto en la superficie inmediatamente aguas abajo delremolino y2. Los datos experimentales sobre la longitud del resalto pueden graficarsemediante el nmero de Froude F1 contra la relacin adimensional L/ (y2-y1), L/y1 oL/y2. La curva resultante de la grfica F1 versus L/y2 muestra la regularidad de una parteplana para el rango de los resaltos bien establecidos.

Figura 4. Relacin adimensional para la longitud del resalto hidrulico(Bureau of reclamation)

EL PERFIL SUPERFICIAL

El conocimiento del perfil superficial de un resalto hidrulico es necesario en eldiseo del borde libre para los muros laterales del cuenco disipador donde ocurre el

resalto. Tambin es importante para determinar la presin que debe utilizarse en eldiseo estructural, debido a que la presin vertical en el piso horizontal bajo un resaltohidrulico es prcticamente la misma que hincara el perfil de la superficie del agua. Elperfil superficial de un resalto hidrulico puede representarse mediante curvasadimensionales para varios valores de F1.

Figura 5. Perfiles superficiales adimensionales de resaltos hidrulicos en canales

horizontales (Con base en datos de Bakhmeteff-Matzke)


10/20

RESALTO HIDRULICO COMO DISIPADOR DE ENERGA

El resalto hidrulico es un medio til para disipar el exceso de energa en un flujosupercrtico debido a que previene la posible erosin aguas debajo de vertederos derebose, rpidas y compuertas deslizantes, pues reduce rpidamente la capacidad desocavar el lecho del canal natural aguas abajo. El resalto hidrulico utilizado para ladisipacin de energa a menudo se confina parcial o totalmente en un tramo del canalque se conoce como cuenco de disipacino cuenco de aquietamiento, cuyo fondo serecubre para resistir la socavacin.

Las aplicaciones prcticas del resalto hidrulico son:

a) Disipar la energa del agua que fluye sobre presas, vertederos y otras estructurashidrulicas, y prevenir de esta manera la socavacin aguas debajo de las estructuras.

b) Recuperar altura o aumentar el nivel del agua en el lado de aguas debajo de unacanaleta de medicin y mantener un nivel alto del agua en el canal de irrigacin o decualquier estructura para distribucin de aguas.

c) Incrementar el peso sobre la zona de aguas debajo de una estructura de mamposteray reducir la presin hacia arriba bajo dicha estructura aumentando la profundidad del

agua en su zona de aguas abajo.

d) Aumentar el caudal por debajo de una compuerta deslizante manteniendo alejada laprofundidad de aguas abajo, debido a que la altura efectiva se reducir si laprofundidad de aguas abajo ahoga el resalto

En el diseo de un cuenco disipador, se deben considerar los siguientes aspectos:

POSICIN DEL RESALTO

Existen tres modelos alternativos que permiten que un resalto se forme aguas debajo deuna fuente (vertedero de rebose, una rpida o una compuerta deslizante):


11/20

a) Caso 1: y2 = y2. Este caso representa un modelo para el cual la profundidad deaguas abajo y2 es igual a la profundidad y2 secuente a y1. En este caso se satisfacela ecuacin y el resalto ocurrir sobre un piso slido inmediatamente delante deLa profundidad y1. Es ideal para propsitos de proteccin contra la socavacin.

Figura 6. Efecto de la profundidad de salida en la formacin de un resalto hidrulicoaguas debajo de un vertedero o por debajo de una compuerta deslizante,

Cuando y2 = y2

b) Caso 2: y2 < y2. Representa el patrn para el cual la profundidad de salida y2 esmenor que y2. Esto significa que la profundidad de salida del caso 1 disminuye yel resalto se desplazar hacia aguas abajo hasta un punto donde se satisfaga laecuacin. Este caso debe evitarse en el diseo, debido a que el resalto rechazadofuera de la zona resistente a la socavacin ocurrira en un lecho de cantosrodados sueltos o en un canal desprotegido ocasionando erosin severa. Lasolucin para el diseo es utilizar cierto control en fondo del canal, el cualincrementara la profundidad de agua y asegurar un resalto dentro de la zonaprotegida.

Figura 7. Efecto de la profundidad de salida en la formacin de un resalto hidrulicoaguas debajo de un vertedero o por debajo de una compuerta

Deslizante, cuando y2 < y2

c) Caso 3: y2 > y2. Este caso representa un modelo en el cual la profundidad desalida y2 es mayor que y2. Esto significa que la profundidad de salida conrespecto al caso 1 se incrementa. El resalto se ver forzado hacia aguas arriba, yfinalmente puede ahogarse en la fuente y convertirse en un resalto sumergido.ste es el caso ms seguro para el diseo, debido a que la posicin del resaltosumergido puede fijarse con rapidez, sin embargo el diseo no es eficiente,

debido a que se disipar muy poca energa.

y1

y2 = y2

y1

y2 = y2

y2

y1

y2y2

y1

y2


12/20

Figura 8. Efecto de la profundidad de salida en la formacin de un resalto hidrulicoaguas debajo de un vertedero o por debajo de una compuerta

Deslizante, cuando y2 > y2

EQUIPO UTILIZADO

y2

y1

y2 y2

y1

y2


13/20

CINTA MTRICA

CRONOMETRO

Mquina que simula un Canal abierto contando este con compuertas que ayudan a lagraduacin que requiera para obtener los resultados requeridos.


14/20

Bomba de agua


15/20

DATOS DEL LABORATORIOt (seg) Vol (lts) H1 31.21 537.00 18.72 31.53 529.30 17.63 31.61 533.90 18.3

CLCULOSI. CLCULO DE CAUDAL PROMEDIO:

Q = (Q1 + Q2 + Q3)/3

Vol (lts) t (seg) Q (lts/seg) Q (cm/seg)1 537.00 31.21 17.21 17206.022 529.30 31.53 16.79 16787.193 533.90 31.61 16.89 16890.22

Q=

= 16961.14 cm/seg

II. CLCULOS PARA SECCIONES 0, 1 Y 2:a) SECCIN 0:

Area Hidraulica= (30.5 cm) (21.6 cm) = 658.80 cm

Velocidad V= = 25.75cm/seg

F = ( )

El flujo es Subcritico:

( )

( )


16/20

b) SECCION 1:Area Hidraulica= (30.5 cm) (3.5 cm) = 106.75 cm

Velocidad V= = 158.89 cm/seg

F =

( )

El flujo es Supercrtico

( )

( )

c) SECCIN 2:Area Hidraulica= (30.5 cm) (11.7 cm) = 356.85 cm

Velocidad V= = 47.53 cm/seg

F =

( )

El flujo es Subcritico

( )

( )

d) CLCULO DEL TIRANTE Y2:


17/20

El tirante calculado es 11.78 cm y el tirante medido es 11.7 cm la diferencia es de 0.08cm

e) CALCULO DE LONGITUD:L= K (y2-y1) = 5(11.7cm-3.5cm)= 41 cm

L medida=62cm

L=62cm-41cm= 21cm

La longitud calculada vara en 21 cm con la longitud medida

f) CALCULO DE LA ALTURA DEL SALTOh= y2-y1= 11.7cm-3.5cm= 8.2 cm

g) CLCULO DE PRDIDA DE ENERGAE= E1-E2 = 16.37cm-12.85cm= 3.52cm

h) CLCULO DE EFICIENCIA DE DISIPACIN DE ENERGA%E=

i) GRAFICA OBTENIDA DE LA CURVA DE ENERGA ESPECIFICA PARA ELRESALTO, HACIENDO VARIAR EL TIRANTE DE AGUA Y EN ELINTERVALO Y/2 MENOR QUE Y MAYOR QUE 1.5 Y:


18/20

j) CON LOS DATOS OBTENIDOS DIBUJE LE RESALTO HIDRULICO,PLOTEE LA LNEA DE CARGA TOTAL; INDIQUE ADEMS LA PRDIDA

k) DE ENERGA, ALTURA, Y ELE LARGO DEL MISMO


19/20

ANLISIS DE RESULTADOSEl resalto hidrulico, 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 aelevada velocidad. Este fenmeno presenta un estado de fuerzas en equilibrio, en el queda lugar a un cambio del rgimen de flujo (supercrtico a subcrtico).

El resalto posee caracterstica supercrtica a su inicio en Y1 y subcrtica en Y2, laclasificacin es debida a los nmeros de froude obtenidos en resalto hidrulico dbil.Este resalto presentara poca ondulacin, es decir, que su velocidad es lo suficiente parano deshacer ondulaciones que puedan formarse, pero no lo suficiente para hacerlo unresalto hidrulico permanente.

La lnea de carga genera controversia esto debido a los datos prcticos, no existe perdidapor disipacin de energa del flujo (supercrtico a subcrtico), en dicho resalto hidrulicoproducido. Situacin no del toda prctica ni terica, ya que despus de un resalto sedisipa energa, y por lo tanto habra prdida y no un incremento de energa como seobserva.


20/20

BIBLIOGRAFAa) Mott, L. Robert

Mecnica de fluidosEditorial Pearson educacinSexta Edicin

b) V, StreterMecnica de fluidosEditorial McGraw-HillOctava Edicin

Reporte 4_entrega (2)

Documents

Transcript of Reporte 4_entrega (2)