ENSAYO NO. 3: FLUJO SOBRE COMPUERTA

Gutiérrez De La Rosa Angie de Jesús

Pereira Cantillo Brian Jesús

Santoya Reales Bayron David

Pedroso Oscar

PRESENTADO AL ING: Camilo Osorio García

LABORATORIO DE HIDRAULICA

GRUPO: FD

CORPORACIÓN UNIVERSIDAD DE LA COSTA

(CUC)

BARRANQUILLA- ATLÁNTICO

Octubre-2014

INTRODUCCION

Las compuertas son equipos mecánicos para el control de flujo de agua y mantenimiento en los diferentes proyectos de ingeniería, tales como presas, canales y proyectos de irrigación. Es una placa móvil, plana o curva, que al levantarse, forma un orificio entre su borde inferior y la estructura hidráulica (presa, canal, etc.) sobre la cual se instala, y se utiliza en la mayoría de los casos para la regulación de caudales, y como emergencia y cierre para mantenimiento en los otros.

El flujo bajo una compuerta puede ser evidenciado en la práctica de acuerdo a condiciones ideales dadas en el laboratorio, la sección transversal que posea la compuerta dará forma al espacio formado entre el fondo del canal y la parte inferior de ésta; de acuerdo con lo anterior, la forma del paso del flujo bajo la compuerta dependerá de la sección que posea la misma.

Para que esta condición se dé, debe existir un obstáculo que impida el paso del flujo, provocando así un represamiento del mismo en un punto Y0 y una profundidad menor en un punto más alejado de la compuerta Y1. El flujo en estos puntos se denomina flujo sobre compuerta y flujo bajo compuerta respectivamente.

 

1. OBJETIVOS1.1 Objetivo General:

Verificar conceptos tanto teóricos como experimentales de flujo sobre compuerta a través de observación, cálculos, gráficos y análisis.

1.2 Objetivos Específicos: Determinar la relación entre la profundidad de flujo aguas arriba

de una compuerta y el caudal que fluye por debajo de ésta. Calcular el coeficiente de descarga de la compuerta baja las

condiciones de flujo ensayadas.

2. MARCO TEORICO

Una compuerta es una placa móvil, la cual puede tener una sección transversal planar o curvilínea; ésta forma entre su borde inferior y el fondo del canal una abertura por la cual, el flujo puede pasar con cierta dificultad, porque como se ha evidenciado en la experiencia al estar presente la compuerta parte del flujo empieza a retenerse causando así una posible inundación.

Las compuertas se utilizan en la mayoría de los casos para regulación de caudales. La selección de la compuerta más adecuada se realiza mediante el estudio de las condiciones físicas, hidráulicas y climáticas del lugar a trabajar. Éstas se diseñan de diferentes tipos y con variadas características en su operación y en su mecanismo de izado, los cuales permiten clasificarlas de la siguiente manera:

1. Compuertas apoyadas en sus dos extremos, trabajando estáticamente como una viga con dos apoyos.  A este sistema pertenecen las compuertas cilíndricas, las compuertas planas y las compuertas radiales, compuertas deslizantes y compuertas de rodillos.

2. Compuertas giratorias que transmiten empuje hidrostático en toda su extensión. A éste sistema pertenecen las compuertas de aletas abatibles, las compuertas radiales, compuertas mariposa, compuertas taintor, compuertas de esclusa y compuertas drop leaf

Las compuertas más usadas son:

Compuertas Deslizantes (Slide Gates):Este tipo de compuerta es útil para alturas y luces reducidas.

Figura 1.

Compuertas De Rodillos (Roller Gates):Esta compuerta se utiliza cuando el flujo del agua presenta una gran presión y se aplica principalmente para sistemas de irrigación.

Figura 2.

Compuertas De Aletas (Flap Gates):Este tipo de compuerta consiste en una placa con bisagras que gira alrededor de un eje en su extremo inferior y transmiten el empuje hidrostático directamente hacia la solera.

Figura 3.

Compuertas Cilíndricas:Este tipo de compuerta se diseñó en Europa alrededor de hace 50 años y su concebimiento permitió por primera vez el diseño de las presas de grandes luces.

Figura 4.

Compuertas Radiales (Taintor – Tainter Gates):El diseño de esta compuerta es útil ya que es económica y su levantamiento requiere de poca fuerza. La mayor ventaja de estas compuertas es su funcionamiento hidráulico y la facilidad de represar ríos anchos.

Figura 5.

Compuertas Mariposa: Consiste en un eje con una especie de placa giratoria. Son utilizadas para controlar el flujo en presas muy anchas, y también controlar el flujo en dos direcciones, aunque normalmente el uso de una compuerta es en una sola dirección. 

Figura 6.

Compuertas Drop Leaf:Sus usos más comunes son en control de flujo, proyectos de conservación de suelos, represas de cabeza pequeña; además como reemplazo de compuertas taintor y en proyectos de irrigación.

Figura 7.

Compuertas De Esclusa (Sluice Gates):Son utilizadas en casos de largos pasajes de fluido, como un interceptor en canales, como reguladoras de nivel, en tanques de almacenamiento.

1.1 COMPUERTAS DE FLUJO POR DEBAJO:

Decimos que las compuertas pueden ser clasificadas como compuertas de flujo por debajo, cuando el flujo pasa debajo de estas; ejemplos representativos como los anteriormente descritos.

En el diseño de estas compuertas el ingeniero hidráulico encargado debe considerar dos aspectos importantes: la relación altura-caudal y la distribución de las presiones ejercidas por el flujo sobre la superficie de la compuerta en las diferentes posiciones que ésta adopte a lo largo de su uso.

La forma del labio no solo afecta las distribuciones de las velocidades y de presiones, la pérdida de energía en el flujo a través de la abertura de la compuerta, sino que también dará origen a las vibraciones muy intensas, estas vibraciones deben ser evitadas durante la operación de la compuerta.

Se debe hacer un estudio independiente para el diseño del labio, ya que este varia de una forma considerable, para así obtener un diseño particular acerca de la compuerta.

Figura 9. Diferentes Compuertas Con Flujo Por Debajo.

A partir de la ecuación de energía se puede demostrar que el caudal (Q), a través de una compuerta con flujo por debajo puede expresarse como:

Q=CLh √2g( y1+α V 12

2g )

Dónde:

C: Coeficiente de descarga

L: Longitud de la compuerta

h: Altura de la abertura de la compuerta

y1: Profundidad del flujo aguas arriba

αV 1

2

2g: Altura de velocidad de flujo de aproximación

En la ecuación anterior, el flujo de salida puede ser libre o sumergido, según la profundidad de salida.

En estudios experimentales, la altura de velocidad puede ser omitida y su efecto puede ser considerado dentro del coeficiente C. Entonces tendríamos:

Q=CLh√2g y1

Dónde C, es un coeficiente que depende de la geometría del canal y de las profundidades tanto aguas arriba como aguas abajo; esta ecuación aplica para flujos libres y sumergidos.

“En la siguiente gráfica se muestra el valor de C determinado experimentalmente para compuertas deslizantes por H. R. Henry, basándose en la ecuación para la

línea punteada A, Q=CLh √2g( y1+α V 12

2g ) y la línea punteada B se obtuvo por el

principio de momentum. El valor de F0 es el valor del número de Froude del flujo a través de la abertura de la compuerta.”1

1 VEN TE CHOW, Ph. D. “Hidráulica De Canales Abiertos” Editorial: McGraw-Hill. Marzo 2004. ISBN: 958-600-228-4

Figura 10. Coeficientes De Descargas Para Compuertas Deslizantes Según H. R. Henry

“Toch determinó curvas similares para la compuerta Tainer con base en un estudio experimental, que incluye la altura del pivote como una variable adicional a las que utilizó Metzler en un análisis anterior.”2

Figura 11. Coeficientes De Descargar Para Compuertas Tainter Según Toch

La presión sobre la superficie de la compuerta puede determinarse con mucha precisión por medio del análisis de red de flujo o medidas reales en modelos o prototipos. La figura mostrada a continuación muestra la presión normal sobre la superficie de la compuerta Tainter; existe un patrón de distribuciones horizontales sobre una compuerta deslizante, la presión horizontal sobre la abertura de la compuerta y sobre las secciones transversales aguas arriba y aguas abajo y la presión vertical sobre el lecho del canal. La presión normal sobre la superficie de la compuerta puede ser representada por sus componentes horizontales y verticales. La magnitud de las fuerzas y sus posiciones pueden ser determinadas mediante el empleo del diagrama de distribución de presiones.

2 Ídem

Figura 12. Determinación De Presiones Para Compuertas Radiales Tainter

El flujo de salida de una compuerta por lo general es un chorro de alta velocidad, lo que provoca en el lecho del canal aguas abajo el efecto de erosión. Esta erosión puede ser evitada a través de un cuenco disipador; si no se toman medidas necesarias la erosión puede provocar un cuenco de socavación y su formación dependerá del tipo de chorro. Según los estudios de Escande, son posibles 4 tipos de chorros:

a. Flujo sumergido con chorro hacia arribab. Flujo sumergido con chorro hacia abajoc. Flujo libre con chorro hacia arriba d. Flujo libre con chorro hacia abajo

3. DESARROLLO EXPERIMENTAL

Basándonos en la guía dada por el docente en el respectivo laboratorio podemos dar una lista de instrucciones para que la experiencia resulte de forma exitosa:

Debemos asegurarnos de que el canal tenga una pendiente del 0%, o sea que esté totalmente horizontal

Como lo hemos realizado en repetidas ocasiones debemos medir el ancho del canal, para utilizar este valor en los cálculos correspondientes

Debemos instalar la compuerta, preferiblemente en el medio del canal; pero se instaló del lado donde se encuentra la pequeña regla, con el propósito de que al abrir la compuerta tengamos una lectura acertada de la distancia a la cual debemos abrirla

El datum será el fondo del canal

La experiencia se divide en dos etapas:

Primera etapa (yo constante y Q variable):

Debemos abrir la compuerta hasta lograr unos 0.005m de espacio entre ésta y el fondo del canal, nos servimos de la regla que se encuentra en el canal para tener exactamente esta altura

Debemos abrir la válvula del banco hidráulico de manera moderada hasta que yo=0.12m. Cuando el flujo este estable, debemos medir y1 y el caudal Q. Ahora aumentaremos de cada 0.005m la abertura de la compuerta y también debemos ir abriendo de manera gradual la válvula para así lograr que yo=0.12m

Por cada vez que abramos más la compuerta debemos registrar el valor de y1 y Q

Se debe repetir este procedimiento mínimo 4 veces

Segunda etapa (Q constante y yo variable):

Debemos repetir el procedimiento anterior, con Q constante y variando el valor de yo

Para conseguir que Q sea constante debemos abrir la válvula del banco hidráulico y medir el caudal que se presenta abrimos la compuerta a 0.005m y esperamos que el flujo se normalice

Luego de que el flujo se normaliza debemos medir el valor de y1 y yo Por ultimo abrimos la compuerta cada 0.005m y repetimos el procedimiento

mínimo 4 veces

Cabe anotar que la experiencia es extensa, y además en nuestro salón hubo un grupo que demoro más del tiempo previsto; por lo tanto el docente determinó que, la primera etapa del laboratorio cuando el caudal es variable y yo es constante cobija para todos los grupos.

4. CALCULOS

Con los datos tomados en la experiencia, realizamos los siguientes cálculos:

DATOSYg (m) Y0 (m) Y1 (m) Q prom(m^3/s)0,005 0,12 0,005 0,0004960,01 0,12 0,008 0,00076

0,015 0,119 0,011 0,0011150,02 0,118 0,014 0,00126

Coeficiente de descarga

Cd=Q

BY g√gY o

Cd=0,000496

m3

s

(0.076m ) (0.005m )√(9.81ms2

)(0.12m)=0,85066381

Energía en los puntos 1 y 2

H o=Y o+V o

2

2 g

A0=BY o=(0.076m ) (0.12m)=0.00912m2

V o = QA

=0.000496

m3

s0.00912m2

=0,05438596ms

Ho=(0.12m)+(0,05438596m

s)2

2 (9.81 )=0,12015076m

H 1=Y 1+V 1

2

2 g

A1=BY 1=(0.076m) (0.005m )=0.00038m2

V 1 =QA

=0.000496

m3

s0.00038m2

=1,305263158ms

H 1=(0.005m )+(1,305263158 m

s)2

2(9.81ms2 )=0,09183547m

5. ANALISIS DE REULTADOS

1. Comente la relación existente entre las variables de cada una de las graficas

Para Yo constante y Q variable

Cd VS Q

La relación entre el caudal y el coeficiente de descarga es inversamente proporcional, pues podemos observar en la gráfica que a medida que este último disminuye el caudal aumenta

Teniendo en cuenta que:

Cd= QB yg√2g y0

(1)

Q=AV (2)

Reemplazando (2) en (1):

Cd= AVB yg√2g y0

(3)

Pero A=BY g (4)

Reemplazando en (3) en (4):

Cd=B ygV

B yg√2g y0 (5)

Entonces:

Cd= V

√2 g y0(6)

De lo anterior se obtiene que la velocidad es directamente proporcional al coeficiente de descarga. Y de la ecuación (2) tenemos que la velocidad es

inversamente proporcional al área V=QA

por lo tanto, si Yg aumenta, el area

aumenta y disminuye la velocidad por consiguiente el coeficiente de descarga disminuirá; corroborando la primera expresión escrita.

Q vs Yg:

En esta relación de variables basándonos tanto en los datos como en la gráfica, observamos que son directamente proporcionales; pues a medida que abrimos la compuerta generamos una variación de Yg y por tanto del área en ese punto. Lo anterior lo podemos comprobar con la ecuación (2) pues esta nos indica que existe una relación proporcional entre cada una de ellas.

Q constante y Variación de Y0:

Cd Vs. Y0:

Podemos identificar que la relación entre Cd y Y0 es proporcional ya que ambas disminuyen.

Como sabemos que el caudal se mantiene constante al aumentar la abertura de la compuerta disminuye la altura inicial y por ende como analizamos anteriormente al aumentar Yg disminuye Cd y Y0. En la gráfica presentada se corrobora este comportamiento.

Y0 Vs. Yg:

La relación existente es inversamente proporcional. Así como se mencionó en el anterior ítem al abrir la compuerta el flujo que pasara debajo de ella será mayor cuanto más diferencia de altura halla entre ésta y el fondo del canal, lo que ocasionara que aguas arriba disminuya la profundidad.

Cd Vs. Yg:

A medida que Yg aumenta Cd disminuye es decir que poseen una relación inversa.

Lo anterior lo podemos verificar a partir de la ecuación (1)

Cd= QB yg√2g y0

Partiendo por supuesto que en esta segunda parte de la experiencia el caudal es constante, pero al ir aumentado la altura de la compuerta tal cual se hizo en este caso Cd disminuirá.

2. Comente los efectos de Y0 (cuando Q es constante) y los efectos de Q (cuando Y0 es constante) sobre el coeficiente de descarga Cd. ¿Cuál de los dos factores tiene mayor efecto?

Cuando Q es constante y se mantiene una abertura determinada Y0 se comporta de manera constante, pero al ir aumentando la abertura de la compuerta Y0 va a disminuir, hasta el punto en que éste último sea igual a Y1, esto sucede porque el caudal va a aportar un mismo flujo en toda la experiencia, pero al ir aumentando la altura de la compuerta estamos propiciando un equilibrio entre el flujo aguas arriba - aguas abajo.

Ahora bien, al aumentar Yg en esta misma condición, el coeficiente de descarga va a tender a disminuir.

En la segunda parte de la experiencia la altura de la compuerta también varíaH (se aumenta), pero el objetivo de esta parte es mantener a Y0 constante, para ello, a medida que se aumente la altura de la compuerta se deberá variar el caudal.

De lo anterior resulta un aumento del área de la abertura de la compuerta, como sabemos que V=Q/A, al aumentar el área, disminuye la velocidad y, por consiguiente disminuirá el coeficiente de descarga.

Una vez realizado el análisis correspondiente, se puede decir que el factor que tiene mayor efecto es el caudal cuando éste es variable, esto lo podemos contrastar con los cálculos anexos en Excel y ahí podemos observar que los valores del coeficiente de descarga son mayores cuando el caudal se mantiene constante.

3. Compare los valores de H0 y H1 y comente las diferencias encontradas.

H= y+ V2

2 g

La energía del flujo aguas arriba (H0) siempre será mayor que la energía del flujo aguas abajo (H1), por efecto de la abertura de la compuerta

La velocidad aguas arriba es menor que la velocidad aguas abajo El área aguas arriba es mayor que el área aguas abajo

6. BIBLIOGRAFIA

HIDRAULICA DE CANALES: FUNDAMENTOS

 Escrito por Juan H. Cadavid R. Universidad Eafit, 2006 – pág. 200

Hidráulica de Canales. Capítulo 5 Del Manual de Ingeniería de Ríos

 Escrito por Camargo Hernández, Jaime EUNAM, 2002 pag. 121

Hidráulica: prácticas de laboratorio

 Escrito por Alberto García Prats Ed. Univ. Politéc. Valencia, 2006 -  pág. 50