UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADALaboratorio de HidrulicaFlujo uniforme

Informe de laboratorio flujo uniforme Alexander Melo, Oscar Crdenas; Oscar de la Cruz, Diego Hernndez

u1101587@unimilitar.edu.co; u1101485@unimilitar.edu.co

ResumenEl siguiente informe tiene como objeto primordial el determinar de manera experimental la generacin de un salto hidrulico en canales abiertos que mantienen una seccin transversal constante, el flujo transportado mediante dicha seccin cumple con las condiciones ideales de un flujo uniforme.

Se procede a realizar el montaje, tomando las lecturas del nivel del vertedero (Hv), profundidades del nivel de agua antes del salto (Y1) y despus del salto (Y2), distancia entre piezmetros, tomando como referencia principal las diferentes magnitudes de apertura de la compuerta, para que de esta manera junto con el clculo del nmero de Froude (F) sea posible caracterizar en u gran variedad aspectos del salto hidrulico. De el valor F terico y experimental se obtuvo un error aproximado para A1 de 10,58 %, para A2 de 30,36 %, para A3 de 15,59 %, y para A4 de de 8,05%.

Finalmente los valores del nmero de Froude anteriormente referenciados muestran que el salto se clasifica como un salto estable para las diferentes aperturas de la compuerta.

Palabras clavesCoeficiente de Manning, coeficiente de Chezy, numero de Froude, profundidad crtica.

UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADALaboratorio de Hidrulica IIRESALTO HIDRULICO

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Introduccin

El fenmeno del salto hidrulico se genera por un ascenso brusco del nivel del agua que ocurre en un canal abierto, esto se da como consecuencia de un retardo que sufre una corriente de agua que fluye a una velocidad elevada y pasa a una zona de baja velocidad. Este fenmeno es muy comn verlo en ros en donde el flujo presenta este tipo de variaciones gran parte de su trayecto.

Elementos del Trabajo y metodologa

Antes que nada se hay que tener claro el concepto de Salto hidrulico que se define como la descarga de un fluido de altas velocidades a zonas de menores velocidades, presentando una ascensin brusca en la superficie del fluido.

Figura 1. Esquema bsico del resalto hidrulico

El caudal ser variado mediante una vlvula y una compuerta para que el laboratorio sea satisfactorio se recomienda mantener el Salto hidrulico en la condicin de Salto permanente o estable. La compuerta lo que hace es regular el caudal de manera que al disminuir el rea del flujo este aumentara su velocidad con el fin de mantener conservacin de flujo, llegando a un punto donde el fluido quiere estar en equilibrio y volver a su estado inicial disminuyendo su velocidad e incrementando su seccin transversal.

Antes de comenzar el laboratorio se debe empezar por purgar los piezmetros con el fin que los resultados obtenidos tanto de lnea piezometrica como de energa no varen, en la lnea piezometrica se muestran los datos arrojados por cada piezmetro colocados en la longitud del canal, y la lnea de energa ser la suma de la cabeza de velocidad mas la cabeza de presin que son los mismos datos usados anteriormente:

De acuerdo a la grfica de la lnea piezomtrica puede tener una observacin de perfil del cambio en el momento del salto hidrulico para las diferentes aberturas. La velocidad fue hallada de acuerdo al caudal (Q) y este a su vez fue a partir de la ecuacin de vertedero:

Despus del anlisis de las lneas piezometricas y de energa para cada apertura, se debe realizar la comparacin del nmero de Froude de manera analtica con la terica esto le brinda informacin respecto al Froude sobre qu pasa cuando la lmina de agua se acerca al punto de salto hidrulico, este fenmeno presenta un estado de equilibrio en fuerzas, dando lugar a un cambio agresivo del rgimen de flujo, de supercrtico a subcrtico, siento esto un punto de gran disipacin de energa cintica, mientras esto pasa en un determinado tiempo el flujo a perdido energa formulada como:

Pa que el flujo contine si circulacin es necesario que conozca un punto de partida en el que asegure que la energa va a ser suficiente para que el salto hidrulico suceda y esto va en funcin de la profundidad del flujo, mejor expresin seria una profundidad critica Yc.

La fuerza especifica se entiende como La impulsin motivada por las fuerzas exteriores de un sistema mecnico, es igual al aumento o disminucin de la cantidad de movimiento habido en la masa mvil del sistema HIDRULICA PARA INGENIEROS, French . Es decir que la fuerza permanece constante ya que existe un proporcionalidad entre las variables asociadas a la ecuacin de clculo de dicha fuerza con lo cual sin importar el valor de la altura de la lmina de agua o de la velocidad del flujo en el antes o despus del salto dicha proporcionalidad da estabilidad a la fuerza especifica de fluido

Resultados Los datos consignados en la Tabla N1 corresponden a los datos experimentales tomado en el laboratorio, en donde se tomaron datos de alturas piezometricas para diferentes aperturas de canales.

Adicionalmente en la Tabla N1 tambin se encuentra anexado los valores experimentales correspondientes al nmero de Froude en la seccin Nmero 1, que para este informe fue calculado aplicando la siguiente frmula:

(1)Adicionalmente este dato fue comparado con los valores tericos de nmero de Froude para la seccin 1, aplicando la ecuacin bsica para calcular dicho dato: (2)Complementariamente en la tabla N1 tambin se encuentran los datos correspondientes a la prdida de energa, calculados aplicando la ecuacin (3) y comprobados mediante la ecuacin (4).(3)

(4)

Adicionalmente en la tabla se encuentran los datos calculados correspondientes a la velocidad, y a la cabeza de velocidad.

Tabla N1 Datos empricos tomados en el laboratorio. La grafica N 1 corresponde a la lnea piezometrica, cuyos datos asignados en ella fueron obtenidos en el laboratorio y consignados en la tabla anterior (En la grafica los datos fueron ingresados en metros).

Grafica N1 Lnea Piezometrica de los datos empricos.

La grafica N 2 corresponde a la lnea energa, cuyos datos asignados en ella fueron calculados sumando la el valor de la lectura inicial en metros ms el valor de de la velocidad en m2 /s.

Grafica N2 Lnea de Energa de los datos experimentales.

Contextualizando con mayor de detalle los clculos de nmero de Froude de la seccin 1 se procedi a comparar los valores obtenidos de la ecuacin (1) que corresponde a la ecuacin experimental con la ecuacin (2) que corresponde a la ecuacin terica. Mediante las ecuaciones anteriormente nombradas se obtuvieron los siguientes resultados consignados en la Tabla N2.

Tabla N2 Calculo del numero de Froude terico y emprico.

Posteriormente se procedi a calcular la perdida de energa que se dio en el salto hidrulico para las diferentes aperturas de compuerta, para ello se procedi a calcular con la ecuacin (3) dicho dato, los resultado obtenidos fueron consignado en la Tabla N3.

Tabla N3 - Perdida de energa en el salto hidrulico.

Seguidamente se procedi a comprobar la veracidad de los datos anteriormente calculados mediante la aplicacin de la ecuacin (4), y se procedi a calcular un error experimental entre los datos obtenidos. Los resultados fueron consignados en la Tabla N4.

Tabla N4 - % de error en la perdida de energa del salto hidrulico.

A continuacin se calculo la longitud que tena el salto hidrulico usando las alturas antes y despus de l y reemplazndolas en la siguiente ecuacin, los resultados obtenidos fueron consignados en la Tabla N5.(5)

Tabla N5 Longitud del Salto Hidrulico

Finalmente se procedi a graficar con los datos consignados en la Tabla N1,

Grafica N3 Curva de Energa especifica (Profundidad (m) Vs. Energia especifica (m))

Grafica N4 Curva de Fuerza especifica (Profundidad (m) Vs. Fuerza especifica (m))

Anlisis resultados Anlisis de Resultados Basados en los resultados obtenidos en el presente artculo denominado Salto Hidrulico, se analiz lo siguiente: A medida que la lmina de agua se acerca al punto de salto hidrulico la velocidad y relacin con respecto al Froude es menor El numero de Froude permite calificar el rgimen de flujo, de acuerdo a la ecuacin analtica del numero de Froude y la ecuacin terica se obtienen resultados con gran diferencia entre s pero en los dos el flujo se mantiene en el mismo rgimen En la perdida de energa una es calculada por medio de la velocidad de flujo y otra en funcin de la profundidad es posible que por esto se hayan obtenido resultados alrededor del 60 % al 80 %.

Conclusin Basados en los resultados anteriormente obtenidos, y referenciados en el presente artculo podemos concluir lo siguiente; se logro determinar bajo una observacin clara y una confirmacin mediante los clculos realizados que la gran mayora de los canales pueden presentar saltos hidrulicos que son generados por cambios drsticos en las velocidades en el trayecto del flujo a travs de dicho canal. Adicionalmente los valores de las alturas piezometricas muestran con claridad en qu momento se presenta el salto hidrulico, y la lnea de energa detalla de manera concisa que energa puede ganar antes o despus del trayecto que realiza el flujo a travs del canal. Finalmente la metodologa usada en el presente laboratorio permite obtener las caractersticas especficas que debe tener un salto hidrulico y como estos pueden variar segn la apertura de una compuerta, o segn el trayecto del mismo flujo a travs del canal abierto.

Al comparar los resultados obtenidos del nmero de Froude con los presentados en la tabla once se puede afirmar que en la prctica de laboratorio de form un resalto oscilante.Cada oscilacin de este resalto produce una gran onda de perodo irregular, la cual comnmente puede viajar por varios kilmetros causando daos aguas abajo en bancos de tierra y mrgenes.

# En el grfico de energa especfica se observa como la energa disminuye a medida que aumenta la profundidad del flujo despus de que sta ha pasado la profundidad crtica; observando en direccin del flujo este comportamiento es al revs, es decir que a medida que la profundidad aumenta la energa disminuye despus de haber pasado la altura crtica. En el clculo de energa y fuerza especifica se hace de gran utilidad usar valores arbitrarios de Y, para observar el comportamiento del flujo a travs del resalto, lo cual en la prctica puede proporcionar un valor de estos parmetros para el flujo a una profundidad determinada.

Los errores en la comparacin de los valores tericos con los experimentales se pudieron ver influenciados por la poca precisin en la toma de datos por la inestabilidad del resalte en algunos casos.

Referencias http://es.wikipedia.org/wiki/Salto_hidr%C3%A1ulico

Hidrulica de los canales abiertos. Ven Te Chow. 1982. ISBN 968-13-1327-5

http://artemisa.unicauca.edu.co/~hdulica/11_resalto.pdf