lab #5 - resalto hidraulico (informe)

HIDRAULICA Y LABORATORIORESALTE HIDRAULICO

PRESENTADO POR:

Jorge Iván Olmos Cortes 503486Edwin Andrés Useche 503638

Carlos Corredor 503382

PRESENTADO A:

Ing. Ernesto Torres

UNIVERSIDAD CATOLICA DE COLOMBIA INGENIERIA CIVIL

BOGOTA D.C.2014

Tabla de contenido

1. INTRODUCCIÓN................................................................................................................3

2. OBJETIVOS........................................................................................................................4

2.1. Objetivo general..............................................................................................................4

2.2. Objetivos específicos......................................................................................................4

3. MARCO TEORICO.............................................................................................................5

3.1. Resalto en canales rectangulares...................................................................................5

3.2. Resalto en canales inclinados.........................................................................................5

3.3. Clasificación....................................................................................................................5

3.4. Características................................................................................................................6

4. MATERIALES.....................................................................................................................7

5. DATOS Y PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO.....................................................................8

DATOS INICIALES....................................................................................................................8

NUMERO DE FROUDE, TIPO DE FLUJO Y RESALTO..........................................................9

CURVA DE ENERGIA ESPECÍFICA......................................................................................13

6. ANALISIS..........................................................................................................................15

7. CONCLUSIONES.............................................................................................................16

8. BIBLIOGRAFIA.................................................................................................................17

1. INTRODUCCIÓN

El resalto hidráulico es un fenómeno que tiene gran aplicación en la hidráulica, ya que es una forma efectiva de elevar el nivel de agua en un canal con estructuras como lo puede ser una

compuerta, así mismo es muy usado como un aforador de caudal y un gran disipador de energía.

En la elevación de profundidad se forma una turbulencia o remolino el cual es llamado resalto hidráulico, el cual produce una transformación de flujo supercrítico a subcrítico siendo así en este cambio de flujo donde se produce una gran perdida de energía.

2. OBJETIVOS

2.1. Objetivo general

Entender el comportamiento de un cauce de agua u otro líquido cuando se presenta una interferencia en el flujo normal del líquido.

2.2. Objetivos específicos

Dar a conocer los distintos factores que influyen en el desarrollo del resalte y enfatizar en el comportamiento del resalte.

Mostrar el comportamiento del líquido ante el peralte, y desarrollar un diagnóstico adecuado de la evaluación hecha en la práctica.

3. MARCO TEORICO

En 1818, el italiano Bidone realizo las primeras investigaciones experimentales del resalto hidráulico. Esto llevó a Bélanger en 1928 a diferenciar entre las pendientes suaves (subcríticas) y las empinadas (supercríticas), debido a que observo que en canales

empinados a menudo se producían resaltos hidráulicos generados por barreras en el flujo uniforme original.

En un principio, la teoría del resalto desarrollada corresponde a canales horizontales o ligeramente inclinados en los que el peso del agua dentro del resalto tiene muy poco efecto sobre su comportamiento y, por consiguiente, no se considera en el análisis. Sin embargo los resultados obtenidos de este modo pueden aplicarse a la mayor parte de los canales encontrados en problemas de ingeniería. Para canales con pendiente alta el efecto del peso del agua dentro del resalto puede ser tan significativo que debe incluirse en el análisis.

3.1. Resalto en canales rectangulares

Para un flujo supercrítico en un canal rectangular horizontal, la energía del flujo se disipa a través de la resistencia friccional a lo largo del canal, dando como resultado un descenso en la velocidad y un incremento en la profundidad en la dirección del flujo. Un resalto hidráulico se formara en el canal si el número de Froude (F1) del flujo, la profundidad del flujo (Y1) y la profundidad (Y2) aguas abajo satisfacen la ecuación:

3.2. Resalto en canales inclinados

En el análisis de resaltos hidráulicos en canales pendientes o con pendientes apreciables, es esencial considerar el peso del agua dentro del resalto, por esta razón no pueden emplearse las ecuaciones de momentum, ya que en canales horizontales el efecto de este peso es insignificante. Sin embargo puede emplearse una expresión análoga a la ecuación utilizando el principio de momentum que contendrá una función empírica que debe determinarse experimentalmente.

3.3. Clasificación

Los resaltos hidráulicos en fondos horizontales se clasifican en varias clases y en general esta clasificación se da, de acuerdo con el número de Froude (F1) del flujo entrante. Para F1=1 el flujo es crítico y por consiguiente no se firma resalto, para 1.0<F1<1.7 la superficie del agua muestra ondulaciones y se presenta el resalto ondulante, para 1.7<F1<2.5 se desarrolla una serie de remolinos sobre la superficie del agua pero aguas abajo permanece uniforme y la velocidad de la sección es razonablemente uniforme y la perdida de energía es baja presentándose entonces el resalto débil, para 2.5<F1<4.5 existe un chorro oscilante que entra desde el fondo del resalto hasta la superficie y se devuelve sin ninguna periodicidad y cada oscilación produce una onda grande con periodo irregular produciéndose entonces el resalto

oscilante, para 4.5<F1<9.0 la extremidad de aguas abajo del remolino superficial y el punto sobre el cual el chorro de alta velocidad tiende a dejar ocurren prácticamente en la misma sección vertical la acción y posición de este resalto son menos sensibles a la variación en la profundidad de aguas abajo, el resalto es bien balanceado y su comportamiento es el mejor presentándose de esta manera el resalto estable, para F1>9.0 el chorro de alta velocidad choca con paquetes de agua intermitentes que corren hacia abajo a lo largo de la cara frontal del resalto generando ondas hacia aguas abajo y puede prevalecer una superficie rugosa, la acción del resalto es brusca pero efectiva produciéndose entonces el resalto fuerte.

3.4. Características

Algunas de las características del resalto hidráulico en canales rectangulares horizontales son:

Perdida de energía: en el resalto la pérdida de la energía es igual a la diferencia de las energías especificas antes y después del resalto. Puede demostrarse que la perdida es:

E = E1 – E2 = (Y2 – Y1)3 /(4 Y1Y2)

E/ E1: perdida relativa.

Eficiencia: la relación entre la energía especifica antes y después del resalto se define como la eficiencia del resalto. Puede demostrarse que la eficiencia es:

E1/E2 = ((8 F12 + 1)3/2 – 4F1

2 + 1)/(8 F12 (2 + F1

2))

F: número de Froude.

Altura del resalto: la diferencia entre las profundidades antes y después del resalto es la altura del resalto (hj =Y2 – Y1) Al expresar cada termino como la relación con respecto a la energía especifica inicial. [1]

Hj/E1 = Y2/E1 – Y1/E1

Hj/ E1: altura relativa.

Y1/ E1: profundidad inicial relativa.

Y2/ E1: profundidad secuente relativas

4. MATERIALES

Canal de pendiente variable con compuerta plana y deslizante para generar el resalto y limnimetro.

Cronometro para medir el caudal volumétrico.

Cinta métrica para medir la longitud del resalto.

5. DATOS Y PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO

DATOS INICIALES

DATOS EXPERIMENTALES

# Dato Y-0 (m) Y-1 (m) Y-2 (m) L-SH (m) Vol. (m³) T (s) Q (mcs) Qp (mcs)

1 0.107 0.023 0.058 0.14 0.0052.631 0.00190

0.00187562.689 0.001862.678 0.00187

2 0.091 0.017 0.058 0.23 0.0053.102 0.00161

0.00159803.156 0.001583.129 0.00160

3 0.13 0.028 0.052 0.12 0.0052.744 0.00182

0.00183152.758 0.001812.689 0.00186

4 0.2 0.0175 0.078 0.29 0.0052.523 0.00198

0.00204492.339 0.002142.481 0.00202

5 0.184 0.016 0.077 0.29 0.0052.669 0.00187

0.00187682.639 0.001892.614 0.00191

6 0.173 0.018 0.0775 0.28 0.0052.729 0.00183

0.00186002.728 0.001832.611 0.00191

b-canal (m)

0.08 Qprom 0.0018478

g (m/s²) 9.81

Tabla 1. Datos Experimentales

NUMERO DE FROUDE, TIPO DE FLUJO Y RESALTO

NUMERO DE FROUDE Y ENERGIA ESPECIFICA (Y-1)

# Dato

A (m²)

Vel. (m/s)

Yh (m)

NFTipo de Flujo

Tipo de Resalto

E (m)

1 0.0018 1.019 0.0232.146

0Supercritico Debil 0.0760

2 0.0014 1.175 0.0172.877

3Supercritico Oscilante 0.0874

3 0.0022 0.818 0.0281.560

1Supercritico Ondulado 0.0621

4 0.0014 1.461 0.01753.525


5 0.0013 1.466 0.0163.700


6 0.0014 1.292 0.0183.073


Tabla 2. NF y E para Y-1


# Dato

A (m²)

Vel. (m/s)

Yh (m)

NFTipo de Flujo

Tipo de Resalto

E (m)

1 0.0046 0.404 0.0580.535

9Subcritico No se forma 0.0663

2 0.0046 0.344 0.0580.456


3 0.0042 0.440 0.0520.616


4 0.0062 0.328 0.0780.374


5 0.0062 0.305 0.0770.350


6 0.0062 0.300 0.07750.344




# Dato A (m²) Vel. (m/s)

Yh (m) NFTipo de Flujo

Tipo de Resalto

E (m)

1 0.0086 0.219 0.107 0.2139 SubcriticoNo se forma

0.1094


0.0935


0.1316


0.2008


0.1848


0.1739


L-SH-exp. (m) L-SH-real (m) %ERROR

0.14 0.2573 45.60%

0.23 0.3131 26.55%

0.12 0.1520 21.06%

0.29 0.4349 33.32%

0.29 0.4256 31.85%

0.28 0.3666 23.63%

Tabla 5. Error Porcentual de Longitud de Salto Hidráulico

CURVA DE ENERGIA ESPECÍFICA

Grafica 1. Curva de Energía Específica

Yc (m)Yc (m) 0.038

Vc (m/s) 0.610

A (m²) 0.0030

Y(m) E(m)0.01 0.280.02 0.090.03 0.060.038 0.060.04 0.060.05 0.060.06 0.070.07 0.080.08 0.080.09 0.09

Tabla 6. Valor teórico de Yc y tabulación para Curva de Energía Especifica

%ERRORTeórico Grafico %ERROR

Emin (m) 0.057 0.055 3.22%Yc (m) 0.038 0.036 4.98%

Tabla 7. Error porcentual Curva de Energía Especifica

6. ANALISIS

A partir de los resultados obtenidos por la práctica se puede inferir que el modelo matemático empleado para la evaluación del salto hidráulico arrojo los valores esperados en relación al marco teórico consultado. Para las tablas 2, 3, 4, las condiciones de flujo fueron las esperadas:

Figura 1. Esquema empleado (Mott)Comprobando así la existencia de un Flujo Supercritico en el momento en el que el flujo sale a través de la compuerta, para posteriormente convertirse en flujo subcritico a razón de la formación del resalto hidráulico que asimismo es el factor fundamental en la disipación de la energía en el flujo, reduciendo el valor de la energía y aumentando además el valor de la profundidad hidráulica.

El tipo de flujo empleado y puesto a prueba en práctica fue el de Flujo Uniforme Variado, ya que se usó una sección rectangular constante mientras se iban modificando las descargas entrantes al sistema. Por ello, cuando la descarga aumentaba, la energía disminuía debido a la acción de la velocidad.

Los niveles de referencia Y-0, Y-1, Y-2 se comportaron acordemente en relación del caudal emitido permitiendo así la clasificación adecuada del flujo y tipo de resalto formado.

De igual manera la curva de energía específica permitió clasificar los tipos flujo encontrados por medio del cálculo de la Profundidad Critica Yc.

7. CONCLUSIONES

En la práctica se pudo distinguir la formación del resalto hidráulico mediante la alteración de la abertura de la compuerta de del canal, permitiendo establecer el uso práctico delo que podría traer la aplicación de este fenómeno hidráulico, como aforador de caudal y un gran disipador de energía.

En la práctica se pudo distinguir cada uno de los elementos que compone al peralte hidráulico y la influencia que este tiene sobre el flujo del líquido que está siendo transportado por el canal.

Los datos adquiridos durante la práctica fueron consistentes con el comportamiento mostrado por el fluido dentro del canal

En el procedimiento de cálculo se tuvo en cuenta el criterio para la variación del flujo según lo presentado en el procedimiento lo cual se pudo observar claramente en las tablas y gráficos presentados anteriormente.

El resalte hidráulico es un factor claro en el cambio de flujo de un fluido por el cambio de caudal y velocidad que se presenta en este y lo cual se pudo probar con la prueba realizada con la tinta en el canal.

En la práctica se pudo distinguir la formación del resalto hidráulico mediante la alteración de la abertura de la compuerta de del canal, permitiendo establecer el uso práctico delo que podría traer la aplicación de este fenómeno hidráulico, como aforador de caudal y un gran disipador de energía.

La práctica mostro claramente los componentes para llegar a crear un resalto hidráulico, una zona de flujo subcrítico antes de la compuerta que al pasar la misma se convierte en un flujo supercrítico, moviéndose a una velocidad superior con una altura de agua menor para un caudal constante, hasta llegar a una zona de transición donde se forman pequeños remolinos dando un resalto débil y una elevación de la altura del agua con una disminución considerable de la velocidad, regresando a si a un estado de flujo subcrítico, siendo este el más utilizado para el movimiento de agua en canales reales.

8. BIBLIOGRAFIA

[1][www.Google.com.co][http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/flujoencanales/resaltohidraulico/resaltohidraulico.html] investigado el 03/05/2014.

[2] Chow, V. T Hidráulica de Canales Abiertos. Mc Graw Hill, 1994 [3] Mott, Mecánica de Fluidos; Mc Graw Hill, 6ª Ed. 2006.

lab #5 - resalto hidraulico (informe)

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