Clasificación de flujos

PRACTICA DE LABORATORIO No. 1
NOMBRE: CLASIFICACION E IDENTIFICACION DE FLUJOS.
I. DATOS GENERALES
A. MATERIA:
B. TEMA:
C. LUGAR:
D. DURACION:
LABORATORIO DE HIDRAULICA II.
CLASIFICACION E IDENTIFICACION DE LOS
DIFERENTES FLUJOS.
LABORATORIO DE HIDRÁULICA.
UNA SESION.
II. OBJETIVO
El alumno identificará el desarrollo de los diferentes tipos de flujo tomando en consideración la
existencia de diferentes estructuras de control como pueden ser: vertedores, compuertas, diques,
etc.
III. MATERIAL Y EQUIPO
A.
B.
C.
D.
E.
3 Vertedores
Canal artificial de 5 m.
Agua.
Flexómetro.
2 medidores de niveles con punta de agua.
IV. CONCEPTOS TEÓRICOS
CLASIFICACION DE LOS FLUJOS.
Flujo uniforme. El flujo uniforme, es aquel que tomando como criterio el espacio, las
características hidráulicas no cambian entre dos secciones separadas una distancia “ X” .
Flujo no uniforme. Es aquel en el cual las características hidráulicas cambian entre dos
secciones.
Flujo permanente. Es aquel en el que tomando como criterio el tiempo, las características
hidráulicas permanecen constantes.
Flujo no permanente. Flujo en el cual las características hidráulicas cambian en el tiempo.
Flujo rápidamente variado. Flujo en el cual las características hidráulicas cambian rápidamente,
en un espacio relativamente corto.
Flujo gradualmente variado. Flujo en el cual las características hidráulicas cambian de manera
gradual con la longitud
El flujo en canales abiertos abarca una variedad de problemas que surgen cuando el agua
fluye en cauces acuáticos naturales, canales regulares, líneas de drenaje, conductos y similares,
una incumbencia de importancia básica para el ingeniero constructor militar. Aunque los
problemas sobre canales abiertos implican casi siempre un flujo de agua, y aunque los
resultados experimentales que se utilizan en estos problemas se han obtenido por medio de
pruebas hidráulicas, la mecánica de fluidos moderna indica el grado hasta el cual se pueden
aplicar estos resultados al flujo de otros líquidos en canales abiertos.
El flujo abierto se caracteriza por el hecho de que las condiciones de presión se
determinan por la presión constante, por lo general atmosférica, que existe sobre toda la
superficie del flujo en un canal abierto, se pueden determinar por los principios de hidrostática,
ya que las líneas de corriente son rectas paralelas, y aproximadamente horizontales cuando se
satisfacen estas condiciones, las líneas de gradiente hidráulico para todos los tubos de corriente
son las mismas y coinciden en la superficie del líquido. Existen, por supuesto, muchas
excepciones a la situación anterior, y en los campos de flujo en los que las líneas de corriente
son convergentes, divergentes, curvadas, o de fuerte pendiente, cada una de ellas tiene en
general su propia línea de gradiente hidráulico, y estas no se encuentran sobre la superficie de
líquido.
El flujo en canales abiertos puede ser laminar o turbulento, permanente o no
permanente, uniforme o variado, subcrítico o supercrítico. La complejidad de los problemas de
flujo abierto no permanente, hace prohibitivo su estudio en un texto elemental, pero las otras
categorías de flujo abierto si se examinan aquí sin embargo el hincapié se hace sobre el
problema de flujo turbulento permanente que es el que en general se encuentra en la práctica.
El escurrimiento de un flujo o fluido de agua en un conducto puede ser escurrimiento en
canal abierto o en cañería. Las dos clases de escurrimiento de un canal abierto deben tener una
superficie libre, una superficie libre expuesta a una presión atmosférica directa. El
escurrimiento en cañería estando confinado a un conducto cerrado, no ejerce presión
atmosférica directa sino solamente presión hidráulica. Las condiciones físicas en canales
abiertos varían mucho mas que en el de cañerías, la sección transversal de la cañería es redonda
pero la de un canal puede ser de cualquier forma que van desde las circulares hasta las más
irregulares de las corrientes o cursos naturales. En cañerías la superficie interior normalmente
varía en rugosidad. En canales abiertos la superficie varía desde la correspondiente a un metal
pulido usando en canales de prueba a la de lechos de ríos de rugosidad irregular más aún la
rugosidad de un canal abierto varia la posición de la superficie de agua.
Un salto hidráulico se presenta cuando por alguna circunstancia el flujo pasa de régimen
supercrítico a régimen subcrítico, est
e cambio de régimen casi siempre va acompañado
por un importante pérdida de energía
V. DESARROLLO:
La práctica se desarrolló en un canal abierto de sección rectangular de 5 m. de longitud
aproximadamente, donde había un flujo de agua, de presión y velocidad constante en su salida
del contenedor; durante el trayecto del flujo de agua en el canal estuvieron colocados tres
vertedores de diferentes formas a diferentes distancias que a continuación se muestran, los
cuales hicieron que el agua tomara diferentes clases de flujos en su recorrido por el canal,
observando su cambio de velocidad, la altura que tomaba y el gasto que conservó siempre.
Antes de poner en acción el canal se colocaron lo tres vertedores de diferentes formas a
distancias arbitrarias las cuales fueron registradas. Pusimos en acción el canal, dándole antes
una pendiente de 2.5 % y manteniendo un gasto constante. Al poner en acción el flujo del agua
dentro del canal se observó que los vertedores ejercieron una acción de obstrucción al flujo lo
que lo hacia reaccionar de diferentes maneras según la forma de éste. Los tipos de vertedores
que utilizamos en nuestra práctica fueron los siguientes teniendo estas dimensiones:
30
cm.
10 cm.
37
cm.
10
cm.
35
cm.
VERTEDOR TRIANGULAR.
(Vertedor 1)
VERTEDOR DE BORDE REDONDEADO.
(Vertedor 2)
17 cm.
30 cm.
VERTEDOR DE SUPERFICIE CURVA.
(Vertedor 3)
Se puso a funcionar el canal artificial de sección transversal rectangular, con la colocación de tres
vertedores como a continuación se muestra:
5 m.
VERTEDOR 1
VERTEDOR 2
VERTEDOR 3
CANAL ARTIFICIAL DE SECC. TRANS. RECTANGULAR.
Seguido de esto, observamos con detenimiento el comportamiento del flujo a través del canal
que tenía como primer obstáculo el vertedor de superficie curva (vertedor 3), con éste, tenía una
obstrucción de mucha altura en comparación con el tamaño del canal. A causa de colocar este tipo de
vertedor, el tirante que se encontraba antes de éste se incrementó así como también se vio modificada
su velocidad en forma creciente al pasar por encima ya que al tener que pasar el gasto inicial tiene la
necesidad de fluir más rápido y fue en este momento cuando observamos lo que se denomina como
salto hidráulico, que en este caso no es mas que el incremento de nivel o altura del líquido de forma
rápida pues se trataba de una distancia corta esto debido a la caída del flujo desde la parte mas alta del
vertedor.
4.4
22.4
14.91
13.74
TURBULENC
IA.
SALTO
HIDRAULICO.
Después de observar el comportamiento del flujo al pasar por el primer vertedor, seguimos con
los dos restantes (vertedores 1 y 2) de los cuales podemos decir que observamos los mismos
fenómenos pero de forma distinta, esto debido al diseño de los vertedores.
FLUJO RAP. VARIADO
FLUJO
TURBULENTO
13.6
5
9.95
17
14.9
1
TURBULENCIA.
FLUJO RAP. VARIADO
10.4
4.9
2.7
15
83.5
97
VI. RESULTADOS
Se obtuvieron las mediciones indicadas en las fotografías de las cuales les cotas se encuentran
en centímetros; así como los tipos de flujo.
Cabe hacer mención de que en el tramo del canal que va del vertedor num. 2 al 3 el flujo que se
observa es uniformemente variado como se logra observar en la primer fotografía.
VII. CONCLUSIONES:
Con esta práctica podemos decir que al observar el comportamiento del flujo a través de un canal
donde se encuentran vertedores de formas variadas situados a diferentes distancias a partir del punto de
partida del líquido, éste al conservar el mismo gasto durante toda su trayectoria se ve obligado a
intensificar su velocidad o disminuirla, pues el espacio que queda libre para su transito se ve reducido
en forma considerable en algunos casos.
Como la distribución de la velocidad en la sección en un canal depende de factores como la
forma de la sección, la rugosidad de las paredes del canal y la presencia de codos o curvas, que en el
caso de nuestra practica son los vertedores pudimos observar claramente que por la acción de
obstrucción del paso del fluido a lo largo del canal hubo variaciones en las velocidades y profundidades
del liquido.
De la misma forma observamos la manera en que se presenta el salto hidráulico siendo éste un
cambio rápido en la profundidad del flujo que va desde un nivel bajo hasta uno mas alto dando como
resultado al observador la presencia de un movimiento muy brusco de la superficie del agua. Lo
observamos cuando éste se presentó al pie del vertedero.
VIII. BIBLIOGRAFIA
1.
HIDRAÚLICA DE LOS CANALES ABIERTOS.
VEN TE CHOW.
5ª. REIMPRESIÓN, 1ª EDICIÓN JUNIO 1982. EDIT. DIANA.