Prática 4 - Disipación de Energía en Rebosaderos - 2014-I

7/27/2019 Prtica 4 - Disipacin de Energa en Rebosaderos - 2014-I

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Universidad de los Andes

Facultad de Ingeniera

Departamento de Ingeniera Civil y Ambiental

Centro de Investigacin en Acueductos y Alcantarillados

CIACUA

LABORATORIO DE HIDRULICA

PRCTICA No. 4

DISIPACIN DE ENERGA EN REBOSADEROS

Bogot, 2014 - I


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Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA

Laboratorio de Hidrulica Prctica No. 4

Laboratorio de Hidrulica pg. 2

Prctica No 4Disipacin de Energa en Rebosaderos

Figura 1.Rebosadero con Salto de Esqu.

Los rebosaderos son estructuras hidrulicas que se emplean, generalmente, para el control desobreflujo en presas. La forma de la cresta en un rebosadero y la estructura de disipacin deenerga son unas de las caractersticas ms importantes de diseo. Estos disipadores se empleancuando hay un exceso de energa hidrulica que puede causar erosin o socavacin en canales.Por medio del desarrollo de este laboratorio los estudiantes reconocern rebosaderos con distintasformas de disipacin de energa.

1. Objetivos Observar los patrones de flujo sobre un rebosadero. Comparar las formas de disipacin de energa. Familiarizarse con las ecuaciones de descarga cobre la cresta de un vertedero.2. Marco terico

Rebosadero

Un rebosadero es una estructura diseada para rebosar las aguas de una creciente bajocondiciones controladas para propsitos de irrigacin, navegacin, ambientales, entre otras. Los

rebosaderos pueden ser calsificados en diferentes categoras usando diferentes criterios. Porejemplo, basado en lafuncin, un rebosadero puede ser clasificado como de servicio, auxiliar, oemergencia; puede basarse en sus componentes estructurales, puede ser llamado de sobreflujo, detunel o vertedero. El rebosadero de sobreflujo es el tipo ms usado e incluye en general tressecciones: una cresta, una rpida y un disipador de energa (ver Figura 2).


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Figura 2.Rebosadero con salto de esqu en el laboratorio

El flujo aguas arriba del rebosadero es subcrtico con velocidades muy bajas. El flujo se acelera a

medida que se acerca a la cresta del rebosadero, convertiendose en crtico mientras el agua pasasobre la cresta. Aguas abajo de la cresta, despus de la rpida, ocurre flujo supercrtico, ganandoaltas velocidades, dado que la energa potencial se convierte en energa cintica.

La forma del rebosadero de sobreflujo se deriva de la parte inferior de la napa de agua fluyendoen una cada libre, donde la velocidad de aproximacin es cercana a cero y se tiene presinatmosfrica en la napa. La ecuacin terica del caudal para rebosaderos de sobreflujo se obtiene apartir de la ecuacin para vertederos de cresta delgada. Esta ecuacin es una relacin entre ladescarga y la altura sobre la cresta del vertedero y se puede obtenerse matemticamente haciendolas siguientes suposiciones del comportamiento del flujo:

1. Aguas arriba del vertedero el flujo es uniforme y la distribucin de presiones es hidrosttica(p=gh).2. La superficie libre permanece horizontal hasta el plano del vertedero y todas las partculas quepasan sobre el vertedero se mueven horizontalmente (en realidad la superficie libre cae cuando seaproxima al vertedero).3. Los efectos de la viscosidad y de la tensin superficial son despreciables.4. El flujo es permanente en el canal.

Estas suposiciones conducen al siguiente modelo de flujo ideal (ver Figura 3):

Figura 3.Flujo ideal sobre un vertedero de pared delgada

Cresta

Rpida

Disipador de

energa


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Aplicando la ecuacin de Bernoulli entre los puntos 1 y 2 sobre una misma lnea de corriente,como se muestra en la Figura 3, se obtiene:

Ecuacin 1La presin en la napa de aire es atmosfrica por lo tanto se tiene que y estableciendo , se tiene:

Ecuacin 2

Es decir,

( ) Ecuacin 3La descarga terica a travs de una lmina de espesor es: , entonces:

[(

)]

[(

) ()

] Ecuacin 4La velocidad de aproximacin, v1, es en general muy pequea y la ecuacin anterior se puede

simplificar a la Ecuacin 5 Ecuacin 5Un coeficiente de descarga Cd,determinado experimentalmente, se involucra para considerar ladiferencia entre los resultados tericos y experimentales, entonces:

Ecuacin 6


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Donde: Q = Caudal [m3/s].

b = Ancho del rebosadero [m].v0= Velocidad [m/s].Cd= Coeficiente de descarga para el vertedero.Cd= Coeficiente de descarga para el rebosadero.h = Profundidad de la lmina de agua desde donde comienza la cresta [m].H = Profundidad de la lmina de agua desde la cresta [m].

La anterior ecuacin se puede reescribir para el rebosadero de sobreflujo de la siguiente manera:

Ecuacin 7

En este caso el coeficiente de descarga C2es mayor a 0.62 y no es constante (Ver Figura 4) sinoque se ve afectado por la altura y la pendiente del rebosadero. En la Figura 4 (Bureau ofReclamation, 1977), He es la energa total aguas arriba; Ho es la altura de diseo; Co es elcoeficiente de descarga a la altura de diseo; y C es el coeficiente de descarga para otra altura deenerga total que la de diseo.

Figura 4.Coeficientes de descarga para otras alturas distintas a las de diseo.

Disipadores de Energa

Al final de la rpida de una presa el agua cuenta con una alta energa la cual puede causar erosinen el lecho del ro, en el pie de la presa, o en las estructuras mismas de conduccin, poniendo enpeligro la estabilidad de las estructuras hidrulicas. Con el fin de disminuir los riesgos se colocanestructuras disipadoras de energa. Para la seleccin del tipo de disipador se debe tener lassiguientes consideraciones:


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Energa de la corriente. Economa y mantenimiento. Condiciones del cauce aguas abajo (roca, suelo erodable, etc). Ubicacin de las vas de acceso, cuarto de mquinas, y dems estructuras hidrulicas yaque su seguridad no puede quedar comprometida. Efecto de las subpresiones y del vapor de agua sobre las instalaciones. Daos causados a la fauna y la flora por la erosin. Proyectos y poblaciones aguas abajo.

Se presentan dos mecanismos de disipacin de energa, el primero se relaciona altos gradientes develocidad en zonas de alta turbulencia; el segundo, resulta de la resistencia con el aire de laspartculas de agua.

Salto de Esqu

Se utiliza para grandes descargas y se hace directamente sobre el ro. Se utilizan unos trampolinespara hacer saltar el flujo hacia un punto aguas abajo reduciendo as la erosin en el cauce y el piede la presa. La trayectoria del chorro depende de la descarga, de su energa y del ngulo con elque sale del trampoln. El salto de esqu disipa energa debido a la gran turbulencia que genera ypor la friccin de las partculas de agua con el aire.

Figura 5. Vista general de un rebosadero con salto de esqu en operacin.

Chorro generado por el salto de esqu:

La longitud y dispersin del chorro de agua generado por el salto de esqu depende de laturbulencia y el esfuerzo cortante. Chorros parcialmente desintegrados generan una gransocavacin local en el punto del impacto.

Grandes caudales pueden generar el movimiento de la masa de are que est alrededor delchorro, haciendo que se reduzca el esfuerzo cortante y la disipacin de energa.


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Socavacin generada por el salto de esqu:

Si el chorro de agua no se dispersa completamente antes del impacto, este puede y generaruna alta socavacin. Esto puede afectar la estabilidad del rebosadero, la presa y lascondiciones aguas bajo.

Estos efectos slo se pueden sobrellevar si el fondo del canal en el punto del impacto es losuficientemente resistente, por esto es que se necesitan condiciones excelentes de roca enestos puntos.

Piscina de Disipacin con Bloques de Impacto

Un canal rugoso puede disipar grandes cantidades de energa en cortas distancias. El mtodo dedisipacin de energa en este tipo de rebosaderos se da por gradientes de velocidad. Parapropsitos de diseo, la seleccin de este tipo de disipadores radica en que se puede reducir la

profundidad de la lmina de agua al final de la estructura, reduciendo tambin el potencial desocavacin y el oleaje e incrementa la disipacin de energa.

Figura 6.Bloques de impacto al final de la rpida. Tomada de http://ponce.sdsu.edu/projectphotosll04.jpg.

3. ProcedimientoRebosadero con salto de esqu

Durante la prctica se va a operar a chorro libre y sumergido (por medio de la rampa localizada al

final del canal, se debe formar un remolino sobre el rebosadero), para cada condicin serealizarn 8 pruebas

Para la calibracin de la cresta del rebosadero se deben realizar las siguientes mediciones: (ver laFigura 7):

AlturaHde la cresta. Profundidad de flujo aguas arribay1. Profundidad de flujo aguas abajoy2. Caudal Q.


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LongitudLdel salto. ngulo de salida en el rebosadero.

Figura 7. Cresta del rebosadero y salto de esqu.

Piscina de disipacin con bloques de impacto

Figura 8. Bloques de impacto en el laboratorio.

En esta seccin se estudiar el comportamiento del flujo en una piscina de disipacin conbloques de impacto. Se debe medir, al igual que en la seccin anterior, la altura de la cresta (H),la profundidad aguas arriba (y1), la profundidad aguas abajo (y2) y el caudal (Q), para 8 caudales

diferentes, en las condiciones de flujo libre y flujo sumergido.

4. Formato de toma de datosA continuacin se encuentra el formato de toma de datos que deber ser usado para el desarrollode la prctica de laboratorio. La primera columna mide la lmina de agua que sobrepasa elrebosadero, esta no debe ser registrada en la prctica dado que se obtiene hallando la diferenciaentre la altura aguas arriba y la altura del rebosadero (P=___ m). y 1es la altura aguas arriba, y2es


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la altura aguas abajo, Q es el caudal, L la longitud horizontal del salto de esqu y es el ngulo enque sale disparada el agua (en operacin a chorro libre).

Prueba H (m) y1 (m) y2(m) Q (m3

/s) L (m) ()

Salto de Esqu conchorro Libre

12345678

Salto de Esqu conchorro Sumergido

9 - -

10 - -11 - -12 - -13 - -14 - -15 - -16 - -

Piscina de Disipacin

con Bloques deImpacto con chorro

Libre

17 - -18 - -19 - -

20 - -21 - -22 - -23 - -24 - -

Piscina de Disipacincon Bloques deImpacto chorro

Sumergido

25 - -26 - -27 - -28 - -29 - -

30 - -31 - -32 - -

5. Clculos y GrficasSe deben calcular las energas especficas (E1y E2), los nmeros de Froude (Fr1y Fr2), la prdidade energa (E), la eficiencia (%E) y el coeficiente de descarga (Cd) para cada prueba;


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adicionalmente, se deben realizar las siguientes grficas diferenciando claramente cada una de laspruebas realizadas:

Curva de calibracin H vs. Q. Curva de E vs. Q. Curva de %E vs. Fr1. Curva de %E vs. Fr2. Curva de vs. L (para el salto libre) Curva de H vs. L (para el salto libre). Curva de L vs Q (para el salto libre). Para las dos estructuras en la operacin a chorro sumergido, y2vs E.6. Cuestionario Realice una comparacin entre la estructura de salto de esqu y la piscina de disipacin.

Tenga en cuenta las grficas y los clculos realizados en la seccin anterior. Cul es la diferencia en la energa disipada entre el chorro libre y el sumergido? Por

qu? Por qu y en cunto difiere la eficiencia de las dos estructuras estudiadas en el

laboratorio? Tenga en cuenta la operacin a chorro libre y sumergido Cmo se comporta experimentalmente el coeficiente de descarga en cada estructura?

Comparar con coeficientes hallados en la literatura Cmo se diferencia respecto alcoeficiente de un vertedero de cresta delgada?

Investigue sobre una estructura tipo rebosadero diferente a las vistas en la prctica Cmoopera? Tiene estructuras de disipacin de energa? Qu eficiencia tiene? Cuntaenerga disipa? Comparar con las estructuras analizadas en la prctica.

7. BibliografaHIDRULICA DE CANALES ABIERTOS. Ven T. Chow. Capitulo 5. Editorial Mc Graw-Hill. 1956.

Fundamentos para las prcticas de Laboratorio de Hidrulica. Ramiro Marbello Prez. TomoN 8. Universidad Nacional de Colombia. Sede Medelln.

OPEN CHANNEL HYDRAULICS. Terry W. Sturm. Editorial McGraw-Hill. Boston. 2001

DISEO DE PRESAS PEQUEAS, Captulo 8. Bureau of Reclamation.

HIDRULICA DEL FLUJO EN CANALES ABIERTOS. Hubert Chanson. Editorial McGraw-Hill. Parte 4. Diseo de estructuras hidrulicas. Seccin 17 Diseo de vertederos y rebosaderos.2002.

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