mediciÓn de caudales con vertedero rectangular
TRANSCRIPT
FICSA-UNPRG
MEDICIÓN DE CAUDALES
CON VERTEDERO
TRIANGULAR
EQUIPO FME 02
MECANICA DE FLUIDOS IMEDICIÓN DE CAUDALES
FICSA-UNPRG
MEDICIÓN DE CAUDALES CON VERTEDERO
TRIANGULAR
I. OBJETIVOS
Estudiar las características del flujo a través de un
vertedero de escotadura triangular, practicado en una
pared delgada y con el umbral afilado.
Verificar si el coeficiente de gasto o descarga se mantiene
constante a lo largo del experimento.
II. FUNDAMENTO TEORICO
El vertedero es una estructura hidráulica destinada a permitir el pase, libre o controlado, del agua en los escurrimientos superficiales.
Cuando el borde superior del orificio por donde se vacía un depósito no existe, o en caso de existir, está por encima del nivel del líquido, se dice que el desagüe tiene lugar por Vertedero.
El primero que se ocupo de esta cuestión fue G. Poleni, quien consideró el vertedero como un gran número de orificios continuos, y de este modo trato de calcular tanto el vertedero completo con salida al aire libre, como el incompleto o sumergido, en el que una parte del derrame tiene lugar bajo una lamina de agua (llamado por dicho autor motus mixtus).
Los vertederos son utilizados, intensiva y satisfactoriamente, en la medición del caudal de pequeños cursos de agua y conductos libres, así como en el control del flujo en galerías y canales.
MECANICA DE FLUIDOS IMEDICIÓN DE CAUDALES
FICSA-UNPRG
DETERMINACION TEÓRICA DEL CAUDAL DE UN VERTEDERO
Para el cálculo del caudal, se considera un vertedor de pared delgada cuya cresta se encuentra a una altura W, medida desde la plantilla del canal de alimentación. El desnivel entre la superficie inalterada del agua, antes del vertedor y la cresta, es h y la velocidad uniforme de llegada del agua es V0, de tal modo que:
Si W es muy grande, V02/2g es despreciable y H=h
La ecuación general para el perfil de las formas usuales de vertedores de pared delgada puede representarse por:
X=f(y), que normalmente será conocida
TERMINOLOGIA
El borde superior se denomina cresta, pared o umbral.
Los bordes verticales constituyen las caras del vertedero.
La carga del vertedor, H, es la altura alcanzada por el agua, a partir de la cresta del vertedor.
Los niveles a ambos lados del vertedor se llaman niveles, aguas arriba y aguas abajo, respectivamente.
MECANICA DE FLUIDOS IMEDICIÓN DE CAUDALES
FICSA-UNPRG
Debido a la depresión de la lámina vertiente junto al vertedor la carga H debe ser medida aguas arriba, a una distancia aproximadamente igual o superior a 5H.
Vertedero Triangular: Hacen posible una mayor precisión en la medida de carga correspondiente a caudales reducidos. Estos vertedores generalmente son construidos en placas metálicas en la practica, solamente son empleados los que tienen forma isósceles, siendo más usuales los de 90º.
Las figuras anteriores muestran un vertedero triangular y su sección transversal; la escotadura de este tipo de vertedero es de forma triangular. El ángulo que forman sus paredes puede ser de 60 a 90 grados.
El vertedero triangular es el más preciso para medir caudales pequeños.
ECUACIÓN PARA UN VERTEDERO TRIANGULAR DE PARED DELGADA
Siguiendo el mismo procedimiento anterior y despreciando el valor de v2/2g puesto que el canal de aproximación es siempre más ancho que el vertedero, se obtiene la descarga a través de:
MECANICA DE FLUIDOS IMEDICIÓN DE CAUDALES
FICSA-UNPRG
Condiciones De Flujo Adoptadas Para La Fórmula De Poleni-Weisbach
Considerando la Ecuación de la Energía, a lo largo de una línea de flujo se presenta un incremento de la velocidad y correspondientemente una caída del nivel de agua. En el coronamiento del vertedero queda el límite superior del chorro líquido, por debajo del espejo de agua, con una sección de flujo menor al asumido por Poleni-Weisbach.
COEFICIENTE DE GASTO O DESCARGA
Los valores límites aproximados del coeficiente de descarga, resultan de la hipótesis de presencia del tirante crítico sobre el coronamiento del vertedero y de las velocidades aguas arriba y aguas abajo definidas por la ecuación de Torricelli. Consideremos el siguiente esquema:
Para obras de gran magnitud es usual realizar estudios sobre modelos hidráulicos, para determinar el valor del coeficiente de descarga, sin embargo para el diseño de pequeñas obras se contará únicamente con la referencia bibliográfica y la experiencia del proyectista.
MECANICA DE FLUIDOS IMEDICIÓN DE CAUDALES
CORONAMIENTO O CRESTA DE
VERTEDERO.
FICSA-UNPRG
FUNCIONES DE UN VERTEDERO:
Garantizar la seguridad de la estructura hidráulica, al no permitir la elevación del nivel, aguas arriba, por encima del nivel máximo.
Garantizar un nivel con poca variación en un canal de riego, aguas arriba. Este tipo de vertedero se llama "pico de pato" por su forma
Lograr que el nivel de agua en una obra de toma alcance el nivel de requerido para el funcionamiento de la obra de conducción.
Mantener un nivel casi constante aguas arriba de una obra de toma, permitiendo que el flujo sobre el coronamiento del vertedero se desarrolle con una lámina líquida de espesor limitado.
En una obra de toma, el vertedero se constituye en el órgano de seguridad de mayor importancia, evacuando las aguas en exceso generadas durante los eventos de máximas crecidas.
Permitir el control del flujo en estructuras de caída, disipadores de energía, transiciones, estructuras de entrada y salida en alcantarillas de carreteras, sistemas de alcantarillado, etc.
III. EQUIPOS Y MATERIALES
Banco hidráulico FME00
Equipo de flujo sobre vertederos FME02(placa con
escotadura triangular)
Cronometro
Probeta Graduada, Usado para medir la cantidad de fluido
que obtenemos en un determinado lapso de tiempo.
MECANICA DE FLUIDOS IMEDICIÓN DE CAUDALES
FICSA-UNPRG
MECANICA DE FLUIDOS IMEDICIÓN DE CAUDALES
FICSA-UNPRG
INSTALACÍON DE EQUIPO
El equipo consta de cinco sencillos elementos que se emplean en combinación con el canal del banco hidráulico.
La boquilla de impulsión del banco debe sustituirse por la embocadura especial, situar una pantalla rígida, deslizándola entre las dos ranuras existentes en las paredes del canal. La forma de estas ranuras asegura la correcta orientación de la pantalla, pues sólo puede introducirse en una única posición.
El conjunto formado por la embocadura y la pantalla proporciona las condiciones necesarias para obtener una corriente lenta en el canal. El lignimetro se ajusta en un mástil y señala en un calibre las alturas de carga va montado en un soporte que se acopla apoyando sobre la parte horizontal del escalón moldeado en las paredes del canal. Este soporte puede desplazarse a lo largo del canal para ocupar la posición necesaria según la medición a realizar.
El calibre va provisto de un tornillo de ajuste aproximado y bloqueo y de una tuerca de ajuste fino. El lignimetro se fija la mástil mediante el tornillo y de utiliza en conjunto con la escala; un pequeño garfio o una lanceta se acopla a la base inferior del mástil y se ajusta con ayuda de la pequeña tuerca.
El vertedero rectangular se montara en un soporte, al que quedaran enclavados por unas tuercas. Las placas del vertedero incluyen los
MECANICA DE FLUIDOS IMEDICIÓN DE CAUDALES
FICSA-UNPRG
esparragas de sujeción a fin de facilitar la labor de montaje.
IV. PROCEDIMIENTO
Colocaremos el equipo FME02 para la medición de caudales con vertedero y colocaremos dos disipadores de energía para así poder tener un flujo laminar el cual nos permitirá trabajar.
MECANICA DE FLUIDOS IMEDICIÓN DE CAUDALES
FICSA-UNPRG
Tomaremos el nivel cero con respecto al flujo laminar, luego aumentaremos el caudal.
Una vez aumentado el caudal ubicamos la nueva altura, es decir, el lignimetro lo subiremos hasta el nivel de agua.
La válvula de vaciado permite, actuando el accionador manual, cerrar o abrir un orificio dispuesto en la base del tanque volumétrico.
En fase de funcionamiento, es decir, con el banco hidráulico suministrando el caudal a medir, se procederá al vaciado del tanque volumétrico levantando la válvula de vaciado, con lo que el agua retornará al tanque sumidero. Cuando se observe que el flujo se halla estabilizado, es decir que el caudal de agua es sensiblemente constante a la salida del tubo flexible, se bajará la válvula de vaciado para retener el líquido en el tanque volumétrico.
A continuación se irán registrando lecturas en el tubo de nivel a medida que este vaya ascendiendo en el tanque. La lectura de pequeños volúmenes se realiza en la escala situada en la zona más alta y hace referencia al volumen existente en el tanque por
MECANICA DE FLUIDOS IMEDICIÓN DE CAUDALES
FICSA-UNPRG
debajo del escalón. Los volúmenes mayores se pueden visualizar en la escala superior, que se corresponde con el volumen recogido en la zona más ancha del tanque.
Mientras se van realizando las lecturas de los volúmenes, el cronómetro se pondrá en marcha en el momento en que el agua alcance una marca de nivel arbitrariamente elegida, que se tomará como referencia y a la que se hará corresponder con el origen de tiempos, y se deberá detener cuando se alcance otra marca de nivel de conveniente. Con el fin de, en la medida de lo posible, mejorar la precisión deberán tomarse marcas de referencia suficientemente alejadas.
Aumentaremos el caudal y seguiremos el mismo procedimiento.
V. DATOS TOMADOS
H referencial= 72.1
h2 mm
Volumen
registrado
(litros)
Tiempos registra
dos(Segund
os)
Q(m3/s) Q(m3/s)
A 12
MECANICA DE FLUIDOS IMEDICIÓN DE CAUDALES
FICSA-UNPRG
49.63
B
1
37.52
3
C
1
28.42345
Una vez obtenida el Um promedio podremos obtener la constante C
C= 2/3 Um b (2g)1/2
C=0.01528
Una vez obtenido el valor de C podremos remplazarla en la fórmula
general
Q = 0.01528 h3/2
Realizar a la escala conveniente los siguientes gráficos:
MECANICA DE FLUIDOS IMEDICIÓN DE CAUDALES
FICSA-UNPRG
Q2/3 en función de h
MECANICA DE FLUIDOS IMEDICIÓN DE CAUDALES
FICSA-UNPRG
Log Q en función del log h
Um en función de h
MECANICA DE FLUIDOS IMEDICIÓN DE CAUDALES
FICSA-UNPRG
Preguntas:
En este vertedero ¿se mantiene constante el valor de Um? Si es variable sugerir una relación funcional entre Um y h/b?
En el ensayo realizado con el vertedero rectangular el valor de Um no se mantiene constante.
la relación funcional que podemos sugerir es y = 5,2637x + 0,0795
Estimar el valor medio en el intervalo del ensayo.
El valor medio de Um será 0,172473223
La relación entre Q y h ¿puede expresarse mediante una formula del tipo Q=Khn ? en caso afirmativo, determinar los valores de K y de n.
Si se puede expresar de esta forma Q=Khn , donde
K= 2/3 Um b (2g)1/2
K=0.01528
Y la expresión quedaría expresada en :
MECANICA DE FLUIDOS IMEDICIÓN DE CAUDALES
FICSA-UNPRG
Q = 0.01528 h3/2
VI. BIBLIOGRAFÍA
SOTELO ÁVILA, Gilberto. HIDRÁULICA GENERAL.
AZEVEDO, J.M. MANUAL DE HIDRÁULICA.
WWW. Construaprende. Com
MECANICA DE FLUIDOS IMEDICIÓN DE CAUDALES
FICSA-UNPRG
b=0.03m
volumen m3
tiempo s
Caudal m3/s
Altura m
Q2/3 LogQ Logh h/b Um
5/103 9,840,000508725
0,039 0,006372679
-2,19567795
7
-1,408935393 0,013 0,14724467
5/103
5,490,000913500
0,0566
0,009414683
-2,02619429
8
-1,247183569 0,019 0,18215037
5/103
4,820,001037725
0,0623
0,010249945
-1,98927848
0
-1,205511953 0,021 0,18802463
En la formula :
Q=2/3 Um..b.(2.g)1/2h2/3 Um= (11.28809102)Q/h
Reemplazando obtenemos los valores de Um
Um= (11.28809102) Q/h =0,14724467
MECANICA DE FLUIDOS IMEDICIÓN DE CAUDALES
FICSA-UNPRG
Um= (11.28809102) Q/h =0,18215037
Um= (11.28809102) Q/h =0,18802463
El Um promedio será = 0,172473223
MECANICA DE FLUIDOS IMEDICIÓN DE CAUDALES