“Año de la Promoción de la Industria Responsable y del Compromiso

Climático”

FACULTAD DE INGENIERÍA, ARQUITECTURA Y URBANISMO

Escuela Profesional de Ingeniería Civil

LABORATORIO 5: “CANAL ABIERTO DE SEDIMENTACIÓN”

PROFESOR :

ING. ARRIOLA CARRASCO GUILLERMO GUSTAVO

INTEGRANTES :

ABANTO CUBAS, LUIS ALBERTO. GUEVARA DÍAZ, VICTOR DANIEL. PEDRAZA VILLALOBOS, WILSON. QUINTANA CASTRO, ANGLE DANIEL. TANTÁRICO VÁSQUEZ, MARIO L.

ASIGNATURA : MECÁNICA DE FLUIDOS II

CICLO : V

SECCIÓN : “D”

Pimentel, 14 de Noviembre del 2014

INDICE

I. INTRODUCCIÓN

En esta práctica se utilizaran nuevos instrumentos para poder aprender a

identificar el tipo de flujo en un canal como también poder hallar el tirante dentro

de un salto hidráulico cada vez que se hace una inclinación del equipo que

representará a un canal, se utilizara también un cronometro y hacer o inclinar el

equipo a una altura determinada, se tendrá que tener sumo cuidado al usar los

equipos en laboratorio para no dañarlos de ninguna manera.

El docente del curso, el ing. Guillermo Arriola Carrasco, nos dio todas las

indicaciones para poder recolectar los datos y luego poder analizar si eran

correctas las observaciones.

El laboratorio realizado nos ayudará especializarnos como futuros ingenieros

egresados de la Universidad Señor de Sipán, emprender conocimientos de mucha

práctica realizada por este laboratorio, especialmente en el área de hidráulica.

Aprenderemos nuevos conocimientos y características de los canales, como

actúan frente a la realidad ante las circunstancias de la naturaleza, hay que darle

mucho interés a esta práctica ya que nos servirá como futuros ingenieros.

II. RESUMEN

En este ensayo de laboratorio el problema a resolver específicamente es

determinar los parámetros hidráulicos utilizando el equipo de canal de

sedimentación de sección rectangular.

El análisis del comportamiento que presentará el fluido puede ser calculado; con

errores muy insignificantes, y por ello es la necesidad de hacer los ensayos de

laboratorio para verificar la teoría con la práctica.

III. OBJETIVOS

3.1General

Determinar los parámetro hidráulicos utilizando el equipo de canal abierto de sedimentación (sección rectangular).

3.2Especifico

Hallar longitudes de cada salto hidráulico Calcular cada tirante conjugados en cada salto hidráulico Semejar gráficos relacionas entre lo teórico y lo real.

IV. HIPOTESIS

Se pretenderá saber en la práctica de laboratorio, cuales son los tirantes de cada salto hidráulico que hemos visto en la práctica, para un tipo y diferente caudal que pasara por el canal abierto y así representaremos gráficos que estén relacionas con lo teórico y la realidad.

V. MARCO TEÓRICO

FLUJO EN CANALES ABIERTOS

El flujo de canales abiertos tiene lugar cuando los líquidos fluyen por la acción de la gravedad y solo están parcialmente envueltos por un contorno sólido. En el flujo de canales abiertos, el líquido que fluye tiene superficie libre y sobre él no actúa otra presión que la debida a su propio peso y a la presión atmosférica. El flujo en canales abiertos también tiene lugar en la naturaleza, como en ríos, arroyos, etc., si bien en general, con secciones rectas del cauce irregulares. De forma artificial, creadas por el hombre, tiene lugar en los canales, acequias, y canales de desagüe. En la mayoría de los casos. Los canales tienen secciones rectas regulares y suelen ser rectangulares, triangulares o trapezoidales. También tienen lugar el flujo de canales abiertos en el caso de conductos cerrados, como tuberías de sección recta circular cuando el flujo no es a conducto lleno. En los sistemas de alcantarillado no tiene lugar, por lo general, el flujo a conducto lleno, y su diseño se realiza como canal abierto.

NÚMERO DE FROUDE

El número de Reynolds y los términos laminar y turbulentos no bastan para caracterizar todas las clases de flujo en los canales abiertos.

El mecanismo principal que sostiene flujo en un canal abierto es la fuerza de gravitación. Por ejemplo, la diferencia de altura entre dos embalses hará que el agua fluya a través de un canal que los conecta. El parámetro que representa este efecto gravitacional es el Número de Froude, puede expresarse de forma adimensional. Este es útil en los cálculos del resalto hidráulico, en el diseño de estructuras hidráulicas y en el diseño de barcos.

L - parámetro de longitud [m] v - parámetro de velocidad [m/s] g - aceleración de la gravedad [m/s²]

El flujo se clasifica como:

Fr<1, Flujo subcrítico o tranquilo, tiene una velocidad relativa baja y la profundidad es relativamente grande, prevalece la energía potencial. Corresponde a un régimen de llanura.

Fr=1, Flujo crítico, es un estado teórico en corrientes naturales y representa el punto de transición entre los regímenes subcrítico y supercrítico.

Fr>1, Flujo supercrítico o rápido, tiene una velocidad relativamente alta y poca profundidad prevalece la energía cinética. Propios de cauces de gran pendiente o ríos de montaña.

FLUJO PERMANENTE Y UNIFORME

El flujo uniforme permanente es el tipo de flujo fundamental que se considera en la hidráulica de canales abiertos. La profundidad del flujo no cambia durante el intervalo de tiempo bajo consideración. En el caso especial de flujo uniforme y permanente, la línea de alturas totales, la línea de altura piezométricas y la solera del canal son todas paralelas, es decir, son todas iguales sus pendientes.

La característica principal de un flujo permanente y uniforme en canales abiertos es que la superficie del fluido es paralela a la pendiente del canal, es decir, dy/dx = 0 o la profundidad del canal es constante, cuando la pendiente final (Sf) es igual a la pendiente inicial (So) del canal. Estas condiciones se dan comúnmente en canales largos y rectos con una pendiente, sección transversal y un revestimiento de las superficies del canal homogéneo, caso tipito en regadíos. En el diseño de canales es muy deseable tener este tipo de flujo ya que significa tener un canal con altura constante lo cual hace más fácil diseñar y construir. Las condiciones de flujo permanente y uniforme solo se pueden dar en canales de sección transversal prismáticas, es decir, cuadrada, triangular, trapezoidal, circular, etc. Si el área no es uniforme tampoco lo será el flujo. La aproximación de flujo uniforme implica que la velocidad es uniforme es igual a la velocidad media del flujo y que la distribución de esfuerzos de corte en las paredes del canal es constante.

Bajo las condiciones anteriores se pueden obtener las siguientes relaciones, denominadas relaciones de Chezy–Manning, para la velocidad V y el caudal Q:

Dónde:

K: Valor constante según las unidades a utilizar.Ac: Área de la sección del Canal.Rh: Radio hidráulico de la sección.So: Pendiente del Fondo del Canal.n: Coeficiente de Manning

En la tabla anterior se observan los valores para el coeficiente de Manning (n) donde, como se mencionó k vale 1.0 y 1.49 para el sistema internacional (SI) y el británico respectivamente, n se denomina coeficiente de Manning y depende del material de la superficie del canal en contacto con el fluido.

GEOMETRÍA DEL CANAL

Un canal con una sección transversal invariable y una pendiente de fondo constante se conoce como canal prismático. De otra manera, el canal es no prismático; un ejemplo es un vertedero de ancho variable y alineamiento curvo. Al menos que se indique específicamente los canales descritos son prismáticos.

El trapecio es la forma más común para canales con bancas en tierra sin recubrimiento, debido a que proveen las pendientes necesarias para la estabilidad.

El rectángulo y el triángulo son casos especiales del trapecio. Debido a que el rectángulo tiene lados verticales, por lo general se utiliza para canales construidos para materiales estables, como mampostería, roca, metal o madera. La sección transversal solo se utiliza para pequeñas asqueas, cunetas o a lo largo de carreteras y trabajos de laboratorio. El círculo es la sección más común para alcantarillados y alcantarillas de tamaño pequeño y mediano.

Los elementos geométricos de una sección de canal son propiedades que estarán definidas por completo por la geometría de la sección y la profundidad del flujo del canal. Estos elementos son muy importantes para el estudio de los flujos en canales abiertos y las expresiones más características son las siguientes:

Secciones Rectangulares

Criterio para mejor sección transversal hidráulica (para canal rectangular):

Canales Trapezoidales

Para canales trapezoidales se toman los mismos criterios para la sección hidráulica más eficiente:

Como conclusión se puede decir que la mejor sección transversal hidráulica para un canal abierto es la que tiene el máximo radio hidráulico o, proporcionalmente, la que tiene menor perímetro mojado para una sección transversal especifica.

ENERGÍA EN CANALES ABIERTOS

En hidráulica se sabe que la energía total del agua en metros-kilogramos por kilogramos de cualquier línea de corriente que pasa a través de una sección de canal puede expresarse como la altura total en pies de agua, que es igual a la suma de la elevación por encima del nivel de referencia, la altura de presión y la altura de velocidad.

Energía de un flujo gradualmente variado en canales abiertos.

De acuerdo con el principio de conservación de energía, la altura de energía total en la sección 1 localizada aguas arriba debe de ser igual a la altura de energía total en la sección 2 localizada aguas abajo más la pérdida de energía hf entre las dos secciones, ver figura.

Esta ecuación es aplicable a flujos paralelos o gradualmente variados. Para un canal de pendiente pequeña, esta se convierte en

RESALTO HIDRÁULICO O SALTO HIDRÁULICO

El resalto hidráulico 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. Este fenómeno presenta un estado de fuerzas en equilibrio, en el que tiene lugar un cambio violento del régimen de flujo, de supercrítico a subcrítico.

Este involucra una pérdida de energía relativamente grande mediante disipación en el cuerpo turbulento de agua dentro del resalto. En consecuencia, el contenido de energía en el flujo después del resalto es apreciablemente menor que el de antes del mismo.

La profundidad antes del resalto es siempre menor que la profundidad después del resalto. La profundidad antes del resalto se conoce como profundidad inicial y1, y después del resalto se conoce como profundidad final y2.

Para flujo supercrítico en un canal horizontal, la energía de flujo se disipa a través de

la resistencia a la fuerza de fricción a lo largo del canal, dando como resultado un descenso en la velocidad y un incremento en la profundidad en la dirección del flujo. El resalto hidráulico se formará en el canal si el número de Froude F1 del flujo, la Profundidad de flujo y1 y la profundidad y2 aguas abajo satisfacen la ecuación de razón de profundidades:

El número de Froude siempre es mayor que la unidad antes del resalto y menor que la unidad después de él.

Tipos de salto hidráulico

Los saltos hidráulicos se pueden clasificar, de acuerdo con el U.S. Bureau of

Reclamation, de la siguiente forma, en función del número de Froude del flujo

aguas arriba del salto (los límites indicados no marcan cortes nítidos, sino que se

sobrepasan en una cierta extensión dependiendo de las condiciones locales):

Para F1 = 1.0: el flujo es crítico, y de aquí no se forma ningún salto. Para F1 > 1.0 y < 1.7: la superficie del agua muestra ondulaciones, y el salto es

llamado salto ondular.

Para F1 > 1.7 y < 2.5: tenemos un salto débil. Este se caracteriza por la formación de pequeños rollos a lo largo del salto, la superficie aguas abajo del salto es lisa. La pérdida de energía es baja.

Para F1 > 2.5 y < 4.5: se produce un salto oscilante. Se produce un chorro oscilante entrando al salto del fondo a la superficie una y otra vez sin periodicidad. Cada oscilación produce una gran onda de período irregular, la cual comúnmente puede viajar por varios kilómetros causando daños aguas abajo en bancos de tierra y márgenes.

Para F1 > 4.5 y < 9.0: se produce un salto llamado salto permanente: la extremidad aguas abajo del rollo de la superficie y el punto en el cual el chorro de alta velocidad tiende a dejar el flujo ocurre prácticamente en la misma sección vertical. La acción y posición de este salto son menos sensibles a la variación en la profundidad aguas abajo. El salto está bien balanceado y el rendimiento en la disipación de energía es el mejor, variando entre el 45 y el 70%.

Para F1 = 9.0 o mayor: se produce el llamado salto fuerte: el chorro de alta velocidad agarra golpes intermitentes de agua rodando hacia abajo, generando ondas aguas abajo, y puede prevalecer una superficie áspera. La efectividad del salto puede llegar al 85%.

VI. EQUIPOS Y MATERIALES A UTILIZAR

CANAL RECTANGULAR: La unidad consta de un canal inclinable montado en

una placa base, justo con un tanque de descarga y bomba de recirculacion.para

comenzar una demostracion , se colocara arena de forma homogenea a lo largo

del lecho del canal, entre el tanque de emtrada y la represa de descarga de paso

superior. Se hace circular agua por el sistema uno de los tres caudales

seleccionados. La inclinacion de canal se ajusta mediante un tornillo de elevacion

de ajuste fino al cual esta acoplada un indicador preciso de inclinacion.

COMPUERTAS

LIMNIMETRO

GRUPO DE ALIMENTACIÓN HIDRÁULICA BÁSICO (FME00/B).

TERMÓMETRO

- Es un instrumento de medición de temperatura

VII. PROCEDIMIENTO

El procedimiento que hemos seguido fue el siguiente:

1. Primero hemos encendido la bomba para que pueda correr el caudal dentro del equipo.

CAUDALIMETRO

2. Hemos tomado una pendiente de 35000

, este pendiente estará para todo el

procedimiento del laboratorio.

3. Asignaremos cualquier caudal.

4. Se verá un salto hidráulico, como cambiara el nivel, medimos la longitud donde se origina el salto hidráulico, con la lanceta hemos medido la longitud, altura para un y1 y y2 conjugados.

5. Así sucesivamente se hará para cada tipo y diferente caudal que pase, midiendo longitud y hallando los tirantes más cercanos.