Salto Hidraulico

SALTO HIDRAULICO[ ] Mec. Fluidos II

INTRODUCCIN

El estudio del comportamiento de un fluido, particularmente agua, a travs de un

canal abierto, representa mucha importancia en las condiciones que se toman en

cuenta al momento del diseo y mantenimiento del medio de conduccin del

fluido, como es en este caso el canal.

Las fases y comportamientos del fluido a travs del canal y de las estructuras

hidrulicas que presenta, como son el salto hidrulico, el fenmeno de cavitacin,

capa lmite, repercuten en la superficie del canal, haciendo de vital importancia su

estudio.

En el presente informe se detalla la observacin y comparacin de clculos

referidos al experimento, mediante los datos obtenidos, al experimentar con un

fluido a travs de un equipo que representa adecuadamente el comportamiento

del fluido referido a travs de un canal abierto, tomando en cuenta diversas

estructuras hidrulicas representadas.


OBJETIVOS

Calcular el nmero de Froude, el tirante Y2, las energas especficas, la

perdida de Energa entre Y1 y Y2 y la longitud del salto hidrulico.

Observar y analizar el comportamiento que toma el fluido, debido a la

intervencin de estructuras hidrulicas en su recorrido.


MARCO TEORICO

Un canal es una estructura destinada al transporte de fluidos, generalmente

utilizada para agua, y que, a diferencia de las tuberas, es abierta a la

atmsfera. Tambin se utilizan como vas artificiales de navegacin. La

descripcin del comportamiento hidrulico de los canales es una parte

fundamental de la hidrulica y su diseo pertenece al campo de la ingeniera

hidrulica, una de las especialidades de la ingeniera civil.

Una caracterstica importante es que tiene que haber una pendiente del

conducto para que se d el flujo, es decir el escurrimiento depende de la

gravedad.

ELEMENTOS DE LA SECCIN DE UN CANAL:

Tirante: la profundidad del flujo (h) 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.

A


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

Factor de la seccin: el factor de la seccin (Z), para clculos de

escurrimiento o flujo crtico es el producto del rea mojada con la raz

cuadrada de la profundidad hidrulica, se expresa como: Z = A. SQRT (D).

TIPOS DE FLUJO:

- Flujo permanente; un flujo permanente es aquel en el que las propiedades fluidas

permanecen constantes en el tiempo, aunque pueden no ser constantes en el

espacio.

Las caractersticas del flujo, como son: Velocidad (V) y tirante (h), son

independientes del tiempo, si bien pueden variar a lo largo del canal.

- Flujo transitorio; un flujo transitorio presenta cambios en sus caractersticas a lo

largo del tiempo para el cual se analiza el comportamiento del canal. Las

caractersticas del flujo son funcin del tiempo;

Las situaciones de transitoriedad se pueden dar tanto en el flujo subcrtico, como en

el supercrtico.

- Flujo uniforme; es el flujo que se da en un canal recto, con seccin y pendiente

constante, a una distancia considerable (20 a 30 veces la profundidad del agua en el

canal) de un punto singular, es decir un punto donde hay una mudanza de seccin

transversal ya sea de forma o de rugosidad, un cambio de pendiente o una variacin

en el caudal.

- Flujo variado; si la profundidad de flujo cambia a lo largo del canal. El flujo variado

puede ser permanente o no permanente. El flujo variado puede clasificarse adems


como rpidamente variado o gradualmente variado. El flujo es rpidamente

variado si la profundidad del agua cambia de manera abrupta en distancias

comparativamente cortas; de otro modo es gradualmente variado. Un flujo

rpidamente variado tambin se conoce como fenmeno local; algunos ejemplos

son el resalto hidrulico y la cada hidrulica.

SECCIONES TIPO DE CANALES ABIERTOS:

RESALTO HIDRULICO COMO DISIPADOR DE ENERGA

Efecto de la gravedad. El efecto de la gravedad sobre el estado de flujo se

representa por la relacin entre las fuerzas inerciales y las fuerzas gravitacionales.

Esta relacin est dada por el Nmero de Froude, definido como:

Donde, v es la velocidad de flujo, g es la aceleracin de gravedad y D es la

profundidad hidrulica,

Donde, A es el rea mojada y T es el ancho de la superficie

Clasificacin del flujo respecto al rgimen de velocidad

Flujo Sper crtico: en este estado el papel jugado por las fuerzas inerciales

es ms pronunciado presenta una velocidad de flujo muy alta, una

profundidad de flujo baja y se genera en condiciones de pendiente alta.


Flujo Crtico: rgimen de flujo intermedio, se caracteriza por generar alta

inestabilidad en el flujo, no es recomendable para el diseo.

Flujo Suscritico: en este estado el papel jugado por las fuerzas

gravitacionales es ms pronunciado por lo tanto se presenta una velocidad

de flujo baja, tiene una profundidad de flujo alta y se genera en condiciones

de baja pendiente.

Linea de energa

TORRENTE

y1

V1

2gE1

SALT

O

HIDRA

LICO

RO

y2

V2

2g

E2

E = E + h1 2 f

h = (? E)f 1-2

RESALTO HIDRALICO COMO

DISIPADOR DE ENERGA

= (E)

1-2


SALTO HIDRULICO

El salto hidrulico es el ascenso brusco del nivel del agua que se presenta en un

canal abierto a consecuencia del retardo que sufre una corriente de agua que fluye

a elevada velocidad y pasa a una zona de baja velocidad. Este fenmeno presenta

un estado de fuerzas en equilibrio, en el que tiene lugar un cambio violento del

rgimen de flujo, de supercrtico a subcrtico.

Figura 1. Volumen de control en el resalto hidrulico, fuerzas hidrostticas (Fh) y

fuerzas dinmicas (Fd).

En la seccin 1, actan las fuerzas hidrosttica F1h y dinmica F1d; en forma

similar pero en sentido contrario en la seccin 2, F2h y F2d. En ambas secciones

la sumatoria de fuerzas da como resultado F1 y F2 respectivamente. En el estado

de equilibrio, ambas fuerzas tienen la misma magnitud pero direccin contraria (la

fuerza F1h es menor a F2h, inversamente F1d es mayor a F2d). Debido a la

posicin de las fuerzas resultantes, ambas estn espaciadas una distancia d, lo

cual genera un par de fuerzas de la misma magnitud pero de sentido contrario. En

razn a la condicin de lquido, las partculas que lo componen adquirirn la

tendencia de fluir en la direccin de las fuerzas predominantes, presentndose la

mezcla del agua con lneas de flujo superficiales movindose en sentido contrario

a la direccin de flujo y de manera inversa en la zona cercana a la solera. El

repentino encuentro entre las masas de lquido y el inevitable choque entre


partculas, provocan la generacin de un medio lquido de gran turbulencia que da

lugar a la absorcin de aire de la atmsfera, dando como resultado un medio

mezcla agua-aire.

Analizando el volumen de control contenido entre las secciones 1-2 se tiene que la

fuerza de momentum por unidad de longitud, para un canal rectangular est dada

por:

21

=1

2(1 + 82 1) =

Ecuacin de un salto hidrulico en un canal rectangular .la relacin entre los

tirantes conjugados 2

1 es una funcin del nmero de FROUDE .

Las profundidades Y1 y Y2, se llaman profundidades conjugadas o secuentes, y

tienen la particularidad que la funcin Momentum (M) es la misma para ambas

profundidades, mientras que existe una variacin de la energa especfica, debida

a la prdida de energa producida por el resalto, como se observa en la Figura


PRINCIPALES CARACTERSTICAS DEL SALTO HIDRULICO

Calculo de F (N de Froude)

yg

VF

.

Dnde:

V = Velocidad media de Y1.

y1 y y2 = Tirantes conjugado.

g = Aceleracin de la gravedad (9.8 m/s2).

Perdida de Energa

La prdida de energa en el salto es igual a la diferencia en energa

especifica antes y despus de salto.


La relacin E/E1 se conoce como perdida relativa.

Eficiencia

Es la relacin entre la energa especifica antes y despus del salto.

La eficiencia de un salto es una funcin adimensional que depende del

nmero de Froude del flujo de aproximacin.

Altura del Salto

Es la diferencia entre las profundidades antes y despus del salto.

Con hj/E1, altura relativa y y1/E1y y2/E2 la profundidad inicial y secuente

relativa respectivamente. Todas estas relaciones son funciones

adimensionales de F1


PRACTICA DE LABORATORIO

EQUIPO

FME09 - MDULO DE VISUALIZACIN DE FLUJO EN CANALES.

FME00 - BANCO HIDRULICO.

PROBETA GRADUADA.

CRONOMETRO.

PROCEDIMIENTO

Instalar el equipo en el banco hidrulico

Nivelar el equipo con ayuda de los pies ajustable y un nivelador de burbuja.

Poner en marcha la bomba para que el agua empiece a circular por el canal,

estando la vlvula de control, poniendo en su lugar el correspondiente tornillo.

Se llena el reservorio, al abrir la compuerta, se aprecia el flujo bajo

compuertas, al no tener ninguna rugosidad, muestra el gran tamao del

salto hidrulico, que no pude ser observado su inicio y fin debido a baja

altura y longitud larga, es decir es muy prolongado.


Al crear rugosidades mediante una parte del equipo acoplada en el

desemboque del canal, se logra observar un salto hidrulico de menor

longitud pero ms pronunciado verticalmente. Lo cual es conveniente en el

caso real ya que el rea de refuerzo del canal es menor.

Se acoplan vertederos al equipo, para representar los distintos tipos de

vertederos, como son: vertederos de cada vertical, vertederos de Cresta

ancha.

Se coloca primero un vertedero de cresta afilada, al intervenir el vertedero en el

flujo crea diferentes tipos de flujo: flujo uniforme, flujo gradualmente variado, flujo

rpidamente variado.

Al aplicar el dispositivo de rugosidad al final del canal, confina al salto hidrulico

a un espacio pequeo para poder ser observado.

Se observa que el agua se pega al vertedero haciendo un fenmeno conocido

como socavacin, para contrarrestar este fenmeno en el experimento se aplica

un sistema de aireacin con un tornillo equipado el dispositivo.


Se realizan mediciones de los tirantes respectivos en el salto hidrulico, el

tirante conjugado mayor es difcil de medir debido a las fluctuaciones, sin

embargo es factible medir el tirante conjugado menor, con lo que puede

darse un clculo muy aproximado del tirante conjugado mayor y la longitud

del salto hidrulico.

Para otra medicin y visualizacin de salto hidrulico se cambia a un

vertedero de cresta ancha, igualmente se genera rugosidades al final del

canal para reducir la longitud de salto hidrulico, se toman las mediciones

correspondientes para efectuar los clculos de comparacin


DATOS INCIALES:

Dimetro interno de la tubera de visualizacin:

= 10

Temperatura del agua:

= 22C

rea del tubo de visualizacin

= 78.53981 2

Viscosidad cinemtica:

= 0.00000964 m2

s


ANALISIS DE LAS MEDICIONES Y SUS CALCULOS

DATOS OBTENIDOS

= , = . = = .

volumen ml vol. Litros volum. M3 tiempo Q litros/s Q m3/s Qprom

(lit/s)

Qprom

(m3/s)

1 641 0.641 0.000641 2.91 0.220274914 0.000220275 0.222176909 0.00022218

2 669 0.669 0.000669 3 0.223 0.000223

3 576 0.576 0.000576 2.58 0.223255814 0.000223256

Promedios 628.6666667 0.628666667 0.000628667 2.83


CALCULAMOS EL N DE FROUDE

F =V

gy , pero:

V =Q

A=

Q

by

F =

Qby

gy=

0.000222180.015x0.010

9.81 0.010= 4.7291

> 1

EL TERICAMENTE

21

=1

2(1 + 82 1)

2 = 1(1+821)

2

2 = 1(1 + 8(4.7291)2 1)

2

2 = 6.2066

= . ..terico

= . .prctica

CALCULO DE LA LONGITUD SALTO HIDRULICO

volumen tiempo caudal caudal en

m3/s

Y1 en

cm

Y2 en

cm

long.SaltoHid.

Cm

1 628.6666667 2.83 220.274914 0.00022218 1 . .


= . ( )

= . ()(. )

= .

Longitud medida en prctica es de 20 cm

Longitud calculada es de 30.95 cm

CLCULO DE ENERGA ESPECFICA

En primer lugar se procedi a calcular el caudal.

t (s) V (ml) Q (m3/s)

2.83 628.6666667 0.00022218

Consideraciones:

Seccin rectangular de ancho de solera: b= 0.015m

rea de la seccin: A = 0.015y

De la ecuacin de energa especifica: E = y +Q2

2gA2

= +(0.00022218)

. (. ) . ()

Para el tirante normal: Y1 = 0.01m

= . +(0.00022218)

. (. . )

E1 = 0.121822295617 m. Kg/Kg


= +0.00022218

. (. ) . ()

Para el tirante normal Y2 = 0.062066m

E2 = 0.062066 +(0.00022218)2

2 9.81 (0.015 0.062066)2

E2 = 0.0649688252329 m. Kg/Kg

CLCULO DE LA PERDIDA DE ENERGA

E= E1 E2

E= 0.121822295617 0.0649688252329

E =0.0568534703841

PARA EL RGIMEN CRTICO

Para rgimen crtico, las condiciones estn dadas por la ecuacin:

Q2

g=

Ac3

Tc

Para una seccin rectangular se tiene que: A=by, T=b, lo cual se reemplaza en la

ecuacin anterior y se obtiene: yc = Q2

gb2

3

yc = (0.00022218)2

9.81 (0.015)23

= .

= . +(0.00022218)2

2 9.81 (0.015 . )2

= .


CONCLUSIONES

CARACTERSTICAS

HIDRULICAS

TEORICO PRACTICO

FROUDE 4.7291

TIRANTE (y2) . .

PERDIDA DE ENERGIA 0.056853

LONGITUD DEL SALTO . 20

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