UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERACURSO: HH224HFACULTAD DE INGENIERA CIVILINFORME: 2DO LABORATORIODEPARTAMENTO ACADMICO DE HIDRALICA E HIDROLOGAENERGA ESPECFICA Y MOMENTA EN CANALES

INDICERESUMEN1I.ENERGA ESPECFICA21.1 GENERALIDADES21.2 OBJETIVOS21.3 FUNDAMENTO TERICO21.3.1 CLASIFICACIN DE FLUJOS31.3.2 ENERGA ESPECFICA5II.MOMENTA O FUERZA ESPECFICA72.1 GENERALIDADES72.2 OBJETIVOS72.3 FUNDAMENTO TERICO8III.DESCRIPCIN DEL EQUIPO DISPONIBLE93.1 EL CANAL93.2 PROCEDIMIENTO10IV.CALCULOS Y RESULTADOS114.1 ENERGIA ESPECFICA DE CANALES114.2 FUERZA ESPECFICA EN EL RESALTO HIDRALICO12V.CUESTIONARIO145.1 ENERGIA ESPECFICA DE CANALES145.2 MOMENTA O FUERZA ESPECFICA15VI.CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES196.1 CONCLUSIONES:196.2 RECOMENDACIONES:20

RESUMEN

En ste segundo laboratorio empezaremos por comprender lo que ocurre cuando variamos las pendientes del canal, lo cual implica una variacin de la energa especifica esto para una descarga constante, esta variacin ser representada grficamente donde se puede observar claramente de la existencia de una mnima Energa especfica para un determinado tirante (que ms adelante lo llamaremos tirante crtico). Esto significa que para un tirante dado el flujo de agua se desplaza con una mnima energa esto nos interesa desde el punto de vista de optimizar la eficiencia del canal al momento de disear. En la segunda parte de este laboratorio se ver la aplicacin de la conservacin de la momenta, esto para estudiar el salto hidrulico en un canal rectangular de carga constante, similar al caso de la Energa especfica se platearan los tirantes versus la momenta y se aprecia una grfica con una momenta mnima para un tirante dado, que ser calculado en detalle ms adelante. La conservacin de la momenta se usa para determinar en tirante luego del salto hidrulico como se ver ms adelante, que tambin fue medido en el laboratorio, con lo cual se podr comprobar estos dos datos (terico y real). Finalmente se sacaran algunas conclusiones en base a lo que se obtenga con los daros tomados de laboratorio. Adems se dan algunas recomendaciones para la toma de datos de laboratorio y los clculos respectivos.

I. ENERGA ESPECFICA

1.1 GENERALIDADES

Un caso particular de la aplicacin de la ecuacin de energa, cuando la energa est referida al fondo de la canalizacin, toma el nombre de energa especfica en canales. Para un caudal constante, en cada seccin de una canalizacin rectangular, obtenemos un tirante y un valor de energa especfica, movindose el agua de mayor a menor energa con un gradiente, en este caso, coincidente con la pendiente de energa.

Analticamente es posible predecir el comportamiento del agua en el canal rectangular, sin embargo la observacin del fenmeno es ahora de mayor importancia y toda conclusin debe ntimamente estar ligada al experimento.

1.2 OBJETIVOS

Determinar la relacin existente entre el tirante y la energa especfica en un canal rectangular. Verificar mediante clculos los valores de energa mnima y tirantes crticos. Estudiar el fenmeno de rgimen de flujo en un canal rectangular, pasando de rgimen supercrtico al rgimen suscritico (salto hidrulico)

1.3 FUNDAMENTO TERICO

Los elementos geomtricos son propiedades de una seccin del canal que puede ser definida enteramente por la geometra de la seccin y la profundidad del flujo. Estos elementos son muy importantes para los clculos del escurrimiento. Profundidad del flujo, calado o tirante: la profundidad del flujo (y) es la distancia vertical del punto ms bajo de la seccin del canal a la superficie libre. Ancho superior: el ancho superior (T) es el ancho de la seccin del canal en la superficie libre. rea mojada: el rea mojada (A) es el rea de la seccin transversal del flujo normal a la direccin del flujo. Permetro mojado: el permetro mojado (P) es la longitud de la lnea de la interseccin de la superficie mojada del canal con la seccin transversal normal a la direccin del flujo. Radio hidrulico: el radio hidrulico (R) es la relacin entre el rea mojada y el permetro mojado, se expresa como: R = A / P Profundidad hidrulica: la profundidad hidrulica (D) es la relacin del rea mojada con el ancho superior, se expresa como: D = A / T. 1.3.1 CLASIFICACIN DE FLUJOS

Criterios de clasificacin: a) Segn el tiempo: Es la variacin del tirante en funcin del tiempo

Flujo permanente: las caractersticas hidrulicas permanecen constantes en el tiempo

Fig.1.flujo permanente. Flujo inpermanente: Flujo en el cual las caractersticas hidrulicas cambian en el tiempo.

Fig.2.flujo impermanente.

b) Segn en el espacio: Es la variacin del tirante en funcin de la distancia

Flujo uniforme: Es aquel que tomando como criterio el espacio, las caractersticas hidrulicas no cambian entre dos secciones separadas una distancia determinada.

Fig.3.flujo uniforme Flujo variable: Es aquel en el cual las caractersticas hidrulicas cambian entre dos secciones flujo gradualmente variado ( GVF): Flujo en el cual las caractersticas hidrulicas cambian rpidamente, en un espacio relativamente corto (Fig.4) Fig.4.flujo gradualmente variado

flujo rpidamente variado (RVF): Flujo en el cual las caractersticas hidrulicas cambian de manera gradual con la longitud (Fig.5)

Fig.5.flujo rpidamente variado 1.3.2 ENERGA ESPECFICA

La energa de la corriente en una seccin determina de un canal es la suma del tirante, la energa de velocidad y la elevacin del fondo con respecto a un plano horizontal de referencia arbitrariamente escogida y se expresa asi: (ver fig.6). Dnde: y :tirante : Coeficiente de coriolis : Velocidad media de la corriente : Elevacin del fondo : Aceleracin de la gravedad Si tomamos como plano de referencia el fondo del canal la energa as calculada se denomina energa especifica (Rocha) y se simboliza con la letra E. La energa especifica es, pues, la suma del tirante y la energa de velocidad. Como est referida al fondo va a cambiar cada vez que este ascienda o descienda.

Fig.6.flujo permanenteLa ecuacin (1) tambin puede expresarse en funcin del gasto Q y el rea de la seccin transversal, que es una funcin del tirante y. (2) Teniendo un Q constante y asumiendo = 1, se obtiene las asntotas de la ecuacin (2) que evidentemente son: = 0 = 0 Graficando la ecuacin se obtiene: Calculando la energa especfica mnima, derivando: .(3) .(4) Como sabemos (5) De las ecuaciones 3, 4 y 5 se obtiene la ecuacin 6. . (6)Se observa adems que para un flujo subcrtico se cumple:

Tambin para un flujo supercrtico se cumple:

Nmero de Froude (F) El nmero de Froude es un indicador del tipo de flujo y describe la importancia relativa de la fuerza gravitacional e inercial (Potter), su definicin general es: (7)Donde D es el tirante hidrulico medio (D=A /T) De (7) y (4) se tiene

Entonces cuando F=1 el flujo es flujo es crtico, F1 el flujo es supercrtico. II. MOMENTA O FUERZA ESPECFICA

2.1 GENERALIDADES

El resalto hidrulico es un fenmeno producido en el flujo de agua a travs de un canal cuando el agua discurriendo en rgimen supercrtico pasa al rgimen subcritico. Tiene numerosas aplicaciones, entre las cuales se citan: La disipacin de energa en aliviaderos. Como dispositivo mezclador, en las plantas de tratamiento de agua.

Como cambiar de rgimen se tiene antes del resalto un tirante pequeo y despus del resalto un tirante mayor, se establece una relacin de fuerzas debido a la presin y al flujo, esto se denomina fuerza especifica en la seccin, al inicio y al final del resalto hidrulico.

2.2 OBJETIVOS

Estudiar el fenmeno del cambio de rgimen de flujo en un canal rectangular, pasando de rgimen supercrtico al rgimen subcritico.

2.3 FUNDAMENTO TERICO

La segunda ley del movimiento del Newton menciona que el cambio de la cantidad de movimiento por unidad de tiempo es la resultante de las fuerzas exteriores. Consideremos un canal con un flujo permanente cualquiera y un volumen de control limitado por dos secciones transversales 1 y 2. La superficie libre y el fondo del canal tal como se ve en la figura 8.

Aplicando el equilibrio al volumen de control y teniendo las siguientes condiciones =0, Ff=0 (perdidas de carga =0) P1 P2 =Q(V2 V1) (9) TORRENTE F.E.mnima Y M MYcY2 Y1 Fig.8.Relacin entre la momenta y el tirante.

Dnde: Y1, y2: son los tirantes conjugados. Y1>yc: se observa un flujo subcrtico (Ro). Y21 mostrados en la tabla 4. Los valores del nmero de Froude F de la tabla 4 corresponde a valores comprendidos entre:1 < F < 1.7 lo que corresponde a un SALTO ONDULAR para las pendientes 2 y 3. 1.7 < F < 2.5 lo que corresponde a un SALTO DEBIL para las pendientes 4,5 y 6.En el experimento de FUERZA ESPECFICA EN EL RESALTO HIDRULICO, podemos concluir que: En la tabla 6 se muestra la relacin directamente proporcional que existe entre el aumento de la pendiente, la energa especfica y la fuerza especfica. El valor promedio del porcentaje de error de la energa especfica antes y despus del resalto hidrulico de la tabla 8 es 6.45% lo que representa prdidas manejables de energa probablemente debido a que el canal tiene dos rugosidades distintas debido al vidrio de las paredes y al metal del fondo as como debido a las imperfecciones del canal.

El valor promedio del porcentaje de error de la fuerza especfica antes y despus del resalto hidrulico de la tabla 8 es 22.08%. Como podemos notar el porcentaje de error es mayor al del porcentaje de error de la energa especfica. Esto debido a que las medidas realizadas antes y despus del resalto hidrulico se tomaron de manera precipitada y en ubicaciones distintas del resalto.

Los nmeros de Froude F antes del resalto hidrulico de la tabla 7, en su mayora varan de la siguiente manera: 1.7 < F < 2.5 lo que corresponde a un SALTO DEBIL para las pendientes 1, 2, 3, 4 y 5. Y los valores de F despus del resalto son F < 1. Esto nos indica que el flujo antes del resalto es supercrtico y despus es subcrtico

Los tirantes del flujo antes del resalto son menores al tirante crtico y los valores del tirante despus del resalto son mayores que el tirante crtico como se muestra en la tabla 7 lo que hace que se produzca el resalto hidrulico.

6.2 RECOMENDACIONES:

Es recomendable tomar las medidas de los tirantes despus del salto en la primera seccin transversal donde se produzca un escaso burbujeo. Se recomienda tomar las medidas de los tirantes a un nivel medio puesto que la superficie tiende a oscilar. Se recomienda que a la entrada de canal se coloque un disipador de energa con el fin de obtener u n flujo uniforme. Se debe medir con mucha rapidez y cuidado los tirantes (subcrtico, supercrtico) a fin de evitar errores, dado que el tirante en el flujo subcrtico aumenta al pasar el tiempo, debido a que el agua se llena en el canal.

V. BIBLIOGRAFA

FRENCH RICHARD H., Hidrulica de canales abiertos, -primera edicin- McGraw-Hill , Mxico 1985. Gua de laboratorio -Departamento de Hidrologa e Hidrulica (FIC). Merle C. Potter, David C. Wiggert- MECANICA DE FLUIDOS ROCHA F. ARTURO, Hidrulicas de tuberas y canales primera edicin- Universidad Nacional de Ingeniera, Lima 2007. Ven Te Chow, Hidrulica de los canales abiertos - McGraw-Hill, 1994 Vctor L. Streeter, E. Benjamin Wylie -MECANICA DE FLUIDOS