informe - longitud de resalto hidráulico

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Hidráulica

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA

RESUMENEs importante que el ingeniero tenga los conocimientos bsicos para el diseo de estructuras hidrulicas con cambios repentinos de flujo, mediante la determinacin del nmero de Froude y los efectos del cambio en las lneas de flujo en un punto especfico de un canal. El salto Hidrulico es un fenmeno local que consiste en la sbita elevacin de la superficie del agua produciendo la transicin de un flujo supercrtico a uno subcrtico. La ocurrencia de un salto hidrulico est determinada por las condiciones del flujo aguas arriba y aguas abajo del salto, es necesario acotar que cuando ocurre ste fenmeno aparece una longitud que se conoce con el nombre de longitud del resalto hidrulico que viene hacer la distancia horizontal desde la cara frontal del salto hasta un punto sobre la superficie del agua donde termina la ola asociada con el salto. Esta distancia no se ha podido determinar analticamente. 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. Pero uno de los aspectos ms importantes de determinar es la longitud de dicho resalto. El objetivo de este trabajo es mostrar a travs de pruebas experimentales como se puede medir la longitud del resalto hidrulico, terico y prctico. En la introduccin se dan a conocer aspectos elementales y usos del resalto, as como su origen, los objetivos se centran en la generacin de 3 tipos de resalto, medida y clculo de las longitudes con los diferentes mtodos y en el marco terico una explicacin sobre cmo se presenta el salto en determinadas secciones y sobre la longitud del resalto hidrulico. Se realizarn los clculos respectivos y luego de explicar el procedimiento y resultados, tambin especificados. Finalmente se dan las conclusiones y la bibliografa de donde se obtuvo el fundamento terico necesario para hacer el clculo. La prctica fue realizada el da 21/05/15 a las 2 pm. En el Laboratorio de Recursos Hdricos.

INTRODUCCINEl resalto 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, esto ocurre cuando hay un conflicto entre los controles que se encuentran aguas arriba y aguas abajo, los cuales influyen en la misma extensin del canal. El resalto puede producirse en cualquier canal, pero en la prctica los resaltos se obligan a formarse en canales de fondo horizontal este fenmeno se presenta de varios tipos como lo son (ondular, dbil, oscilantes, fuertes, estables). Donde el nmero de Froude va desde menor que uno a mayor que nueve y estos a la vez presenta un estado de fuerzas en equilibrio. El cual tiene lugar a un cambio violento del rgimen de flujo de ser supercrtico a subcrtico, a su vez estos tiene lugar ya sea sobre la superficie libre de un flujo homogneo o en una interface de densidad de un flujo estratificado. Un parmetro importante en el diseo de obras hidrulicas es la longitud del resalto. Que definir la necesidad de incorporar obras complementarias para reducir esta longitud y aplicar medidas de proteccin de la superficie para incrementar su resistencia a los esfuerzos cortantes.La longitud del salto se puede determinar por las siguientes expresiones:

En el presente trabajo se tratar de hallar la extensin de los tirantes del resalto hidrulico con su respectiva longitud experimentalmente, para luego comparar dichos resultados con los clculos analticos, es decir, hallar de forma terica y prctica la longitud del resalto y contrastar estos resultados.

OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL:

Realizar la medicin experimental y el clculo terico, usando las distintas frmulas vistas en clase, de las longitudes de 3 resaltos hidrulicos, analizndolos de forma precisa. Dichos resaltos generados al usar 3 caudales distintos (con la bomba pequea, la bomba grande y la bomba pequea + bomba grande), primero midiendo los tirantes conjugados mayor y menor, calculando uno en funcin de otro para cada caso, y contrastando los resultados.

OBJETIVOS ESPECFICOS:

Generar 3 resaltos hidrulicos distintos de acuerdo al uso: primero de la bomba pequea, segundo de la bomba grande y finalmente de la bomba grande + pequea, analizando qu tipo de resalto es.

Medir el caudal para cada uno de estos resaltos generados, teniendo en cuenta el uso de cronmetro para tomar distintos tiempos y un volumen conocido (balde de 22 litros), realizando el clculo con el tiempo promedio.

Medir de forma experimental y directa aproximadamente los tirantes conjugado mayor, conjugado menor y la longitud de los 3 resaltos generados anteriormente, con el mayor cuidado posible.

Realizar el clculo, para cada resalto, del conjugado mayor en funcin del conjugado menor con las frmulas vistas en clase, lo mismo para la longitud del resalto con cada frmula ya revisada.

Analizar y contrastar los resultados tanto tericos como experimentales para los 3 resaltos generados, considerando por ejemplo la frmula ms precisa, las posibles causas de los errores concebidos, etc.

JUSTIFICACINEl salto hidrulico es un fenmeno que se presenta exclusivamente en canales, cuando un flujo de agua que viaja a rgimen supercrtico, choca o alcanza a una masa de agua que fluye en rgimen subcrtico; presentndose abruptamente el cambio de rgimen, acompaado de una gran turbulencia, disipando energa y realizando una inclusin de aire en la masa lquida.La importancia se centra en conocer y comprender la formacin del resalto hidrulico con sus respectivos tirantes y longitud de ste para as no tener problemas de socavacin por la turbulencia que origina el resalto hidrulico en las obras hidrulicas, y as tener una excelente conservacin de las obras hidrulicas.

APLICACIN

Es de gran importancia conocer y comprender el procedimiento para obtener las caractersticas del salto hidrulico ya que tiene muchas aplicaciones en la ingeniera como en el diseo de las estructuras de control como vertederos, aliviadores y estructuras de cada, a menudo debe asegurarse de disipar el acceso de energa cintica que posee el flujo aguas abajo. Esto se logra con unas estructuras conocidas como disipadores de energa y las cuales son muy comunes en las estructuras de control.

ALCANCES1. El presente estudio explorar el comportamiento del agua en un canal, en el cual se va a obtener la longitud de los tirantes del resalto hidrulico y su respectiva longitud de ste, para luego compararlo en forma analtica.

2. La investigacin abarca nicamente el aspecto terico-prctico.

Foto 1. Canal con su respectiva compuerta para realizar el salto hidrulico.

Foto 2. Originando el resalto hidrulico.

Foto 3. Regreso del agua formando turbulencia.

Foto 4. Regreso del agua formando turbulencia.

Foto 5. Regreso del agua formando turbulencia.

Foto 6. Midiendo el tirante del agua cuando se normaliza el resalto hidrulico.

Foto. 7. Midiendo la longitud del resalto hidrulico cuando se normaliza el resalto hidrulico.

Foto. 8. Midiendo el tirante del agua cuando se normaliza el resalto hidrulico.

Foto. 9. Tomando medida del agua para hallar el caudal.

MARCO TERICO1. SALTO HIDRULICO EN CANALES DE CUALQUIER SECCIN.

a) Volumen de control. b) Seccin transversal.

Aunque la condicin general para que ocurra el salto esta expresada por la ecuacin para cualquier forma geomtrica de la seccin conviene desarrollar ecuaciones particulares para las secciones ms usuales que, aunadas a sus representaciones grficas, permitan el clculo directo del conjugado mayor, a partir de las condiciones en la seccin de conjugado menor o viceversa.En cualquier forma de seccin, la profundidad es su centro de gravedad y se puede calcular de acuerdo a la geometra de la seccin del canal.

A. SALTO HIDRULICO EN CANALES RECTANGULARES

Para el anlisis se considera que el fondo, del sitio donde se presenta el salto es horizontal o prcticamente horizontal.

Canal rectangular.Partimos de la segunda ley de Newton, que dice:

Pero: Sustituyendo el valor de la aceleracin en la ecuacin (3.9) tenemos que:

Multiplicando esta ecuacin por el tiempo (t) se tiene:

..(1)Siendo:Impulso o incremento de la fuerza que est representada por los empujes hidrostticos que se presenta en la seccin de control, es decir: Dividiendo entre t la expresin anterior nos queda que: De donde:

Sustituyendo el valor del impulso en la ecuacin (1) , se tiene:

Sabemos que:

Pero:

Por lo tanto:

Pero, ahora bien:

Por lo que:

Sustituyendo los valores de y

Sabemos que:

Y que el peso especfico (: Entonces

Adems: entonces

Sustituyendo estos valores en la ecuacin (1):

Dividiendo entre :

..(2)En base a la ecuacin de continuidad sabemos que:

Pero , por lo tanto Y Pero , por lo tanto Por otra parte:

Despejando :

Sustituyendo el valor de en la ecuacin (2) Tenemos que:(3)Por otra parte el gasto unitario es igual a:, entonces Si tenemos que; sustituyendo este valor en la expresin (3), se tiene:

Factorizando la expresin anterior:

Pero: Sustituyendo el valor de la velocidad en la ecuacin anterior, tenemos:

Multiplicando la ecuacin anterior por 2 y reduciendo trminos, se tiene:

Factorizando:

Aplicando la ecuacin general de segundo grado:

La ecuacin 3.21, queda:

Dando valores de A, B y C, tenemos:

Sustituyendo los valores de A, B y C, en la frmula general de segundo grado, tenemos:

Reduciendo trminos se tiene:

Por lo tanto;

Finalmente tenemo