Práctica No.1. “Propiedades físico

Laboratorio de Hidráulica II
Prácticas No. 1 y 2. “PropiedadesFísico-HIdráulicas” y “Flujo Uniforme”.
Práctica No.1. “Propiedades físico-hidráulicas
de los canales abiertos y métodos de aforo”
y
Práctica No.2. “Flujo uniforme en canales abiertos”
OBJETIVO: “El alumno comprenderá y analizará las características físico-hidráulicas de
los canales abiertos y del flujo uniforme”.
PROPIEDADES FÍSICO-HIDRÁULICAS DE LOS CANALES ABIERTOS
Un canal es una estructura natural o artificial que conduce un líquido valiéndose única y
exclusivamente de la acción de la fuerza de gravedad. Se caracteriza por presentar una
superficie horizontal del fluido expuesta a la presión atmosférica, conocida como
superficie libre.
Fig. 1.1. Perfil del flujo en un canal.
Un canal abierto presenta las siguientes características físico-hidráulicas en función del
flujo que transporta y de la sección geométrica del canal:
a) Tirante, y. Es la distancia vertical desde el punto más bajo de la plantilla del canal
hasta la superficie libre del líquido transportado.
b) Tirante normal, d. Es la profundidad del fluido normal a la dirección del flujo. En un
canal con una pendiente θ, el tirante hidráulico es igual al tirante hidráulico normal
dividido por cos• θ.
c) Ancho superficial, T ó B. Es el ancho del canal a la altura en la cual se presenta la
superficie libre del fluido.
d) Área hidráulica, A. Es el área transversal del fluido normal a la dirección del flujo.
e) Perímetro mojado, P. Es la longitud de la línea que se forma al intersectar el área
hidráulica con la geometría del canal en dirección normal al sentido del flujo.
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f) Radio hidráulico, R. Es la relación entre el área hidráulica y su perímetro mojado:
A
R=
(1.1)
P
g) Tirante hidráulico, D. Es la relación entre el área hidráulica de la sección y el ancho
superficial:
A
D=
(1.2)
T
h) Factor de sección, Z. Es el producto del área hidráulica y la raíz cuadrada del
tirante hidráulico:
A
Z=A D=A
(1.3)
T
De acuerdo con las distintas secciones que los canales abiertos pueden adoptar, se
presentan diferentes perfiles de distribución de velocidades en sus secciones
transversales:
Fig. 1.2. Perfiles de velocidades en canales.
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AFORO DE CANALES ABIERTOS
Existen diversos métodos para determinar el caudal que fluye a través de un canal
abierto (artificial o natural). Entre ellos se pueden mencionar los métodos volumétricos y
los métodos de velocidad/superficie. En esta práctica únicamente se analizarán algunos
de los procedimientos o variantes del método de velocidad/superficie.
El método de velocidad/superficie se basa en la fórmula de continuidad y en la de
Manning, por lo que el principal parámetro que debe determinarse es la velocidad de la
corriente. Sin embargo, es un parámetro que puede verse afectado por diversas
causas, lo cual dificulta la precisión del método. Entre otros factores, la velocidad del
agua que se desliza en una corriente o en un canal abierto está determinada por:
•
Gradiente o pendiente. Si todos los demás factores son iguales, la velocidad
de la corriente aumenta cuando la pendiente es más pronunciada.
•
Rugosidad. El contacto entre el agua y los márgenes de la corriente causa
una resistencia (fricción) que depende de la suavidad o rugosidad del canal.
En las corrientes naturales la cantidad de vegetación influye en la rugosidad al
igual que cualquier irregularidad que cause turbulencias.
•
Forma. Los canales pueden tener idénticas áreas de sección transversal,
pendientes y rugosidad, pero puede haber diferencias de velocidad de la
corriente en función de su forma. La razón es que el agua que está cerca de
los lados y del fondo de una corriente se desliza más lentamente a causa de
la fricción; un canal con una menor superficie de contacto con el agua tendrá
menor resistencia fricción y, por lo tanto, una mayor velocidad. El parámetro
utilizado para medir el efecto de la forma del canal se denomina radio
hidráulico del canal. Se define como la superficie de la sección transversal
dividida por el perímetro mojado, o sea la longitud del lecho y los lados del
canal que están en contacto con el agua. El radio hidráulico tiene, por
consiguiente, una cierta longitud. A veces se denomina también radio medio
hidráulico o profundidad media hidráulica.
Todas estas variables que influyen en la velocidad de la corriente se han reunido en
una ecuación empírica conocida como la fórmula de Manning.
Para determinar la velocidad en cualquier punto o sección de un canal abierto, se
pueden seguir diversos procedimientos y emplear un sinnúmero de equipos, pero, en la
mayoría de los casos, por facilidad operativa, se utilizan algunos instrumentos
conocidos con el nombre de “molinetes”.
Los molinetes son accesorios o equipos que cuentan con un dispositivo especial que
registra la velocidad del flujo en la sección en estudio valiéndose de aspas o pequeñas
turbinas. Éstas registran el número de revoluciones o vueltas que genera el flujo al
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Prácticas No. 1 y 2. “PropiedadesFísico -HIdráulicas” y “Flujo Uniforme”.
“chocar” con éstas y es posible, mediante la aplicación de distintos factores, obtener la
velocidad del flujo.
En la actualidad existe un sinnúmero de molinetes cada vez más especializados que
despliegan en forma instantánea la velocidad del fluido.
Para obtener aforos precisos y contrarrestar los efectos causados por la fricción, es
adecuado calcular la velocidad del flujo en distintos puntos de la sección transversal
estudiada y obtener una velocidad promedio para cada sección, este es el principio en
el que se fundamentan los métodos y procedimientos de aforo de caudales en canales
abiertos.
EJEMPLO DE AFORO DE UN CANAL NATURAL
Fig. 1.3. Secciones y velocidades de aforo en un canal natural.
1
2
3
4
Velocidad del caudal
(m/s)
Sección
5
6
7
8
Profundidad
(m)
Ancho
(m)
Área
2
(m )
5x6
Caudal
(m³/s)
4x7
0,2 D
0,8 D
Media
1
-
-
0,5
1,3
2,0
2,6
1,30
2
0,8
0,6
0,7
1,7
1,0
1,7
1,19
3
0,9
0,6
0,75
2,0
1,0
2,0
1,50
4
1,1
0,7
0,9
2,2
1,0
2,2
1,98
5
1,0
0,6
0,8
1,8
1,0
1,8
1,44
6
0,9
0,6
0,75
1,4
1,0
1,4
1,05
7
-
-
0,55
0,7
2,0
1,4
0,77
TOTAL
9,23
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FLUJO UNIFORME Y PERMANENTE
El flujo uniforme es aquel en que todas las secciones del canal tienen exactamente las
mismas características hidráulicas. Para que este tipo de flujo se presente es necesario
que la sección geométrica sea constante, que su trazo sea recto y de gran longitud.
En el flujo permanente el tirante normal, el área hidráulica y la velocidad en cada
sección transversal, no deben cambiar ni en el tiempo ni en el espacio.
En este tipo de flujo, el gradiente de energía, la superficie libre del agua y el fondo del
canal presentan líneas paralelas.
El movimiento del agua es causado únicamente por la acción de la fuerza de gravedad,
mientras que por otra parte, la fricción que existe entre las paredes del canal y las
moléculas de agua se opone al flujo.
Para el cálculo del flujo uniforme y permanente se emplea la fórmula de Robert
Manning, expresión derivada de la de Antoine Chezy, para el sistema métrico decimal
tenemos:
A
Q = R 2 / 3S 1 / 2
(2.1)
n
donde:
Q
Gasto, m3/s
A
Área hidráulica, m2
R
Radio hidráulico
S
Pendiente del canal
n
Coeficiente de rugosidad
De acuerdo con la fórmula de Manning, el gasto es función del área y del radio
hidráulico para una pendiente y rugosidad dados.
REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA DE LABORATORIO
1. Generar un perfil hidráulico uniforme y permanente en el canal de pendiente
variable.
2. Fijar dos secciones de interés y análisis.
3. Medir la geometría del canal en las secciones de análisis.
4. Con la ayuda del molinete medir en 8, 12 o 16 puntos la velocidad del flujo
dentro del canal en cada una de las secciones de análisis.
5. Medir la velocidad del agua considerando dos profundidades medición (0.2y y
0.8y), con la finalidad de calcular la velocidad del flujo con el método de las áreas
mostrado en la presente práctica.
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6. Proponer una metodología para determinar la “n” de Manning del canal de
pendiente variable (aplicar la fórmula de Manning entre las dos secciones, considerando
el radio hidráulico medio y la velocidad media).
7. Considerar adecuadamente la pendiente que presenta el canal.
8. Calcular el caudal de operación utilizando el venturímetro ubicado en la
entrada del canal.
CONTENIDO DEL REPORTE DE LA PRÁCTICA DE LABORATORIO
1. Calcular todas las características físico-hidráulicas de cada una de las
secciones.
2. Dibujar las curvas de isovelocidad de la sección transversal que se ubica
aguas arriba del canal (utilizando los 8, 12 o 16 puntos analizados).
3. Calcular la velocidad del flujo considerando:
3.1. La velocidad promedio de la sección
3.2. La velocidad ponderada, trazando las curvas de isovelocidad.
4. Estimar un valor de la “n” de Manning del canal con la metodología propuesta
(emplear la velocidad promedio y el radio hidráulico promedio de las dos secciones).
5. Comparar y justificar los valores obtenidos de la “n” de Manning y, de los dos
valores calculados, elegir el que más se parezca al del material en estudio.
6. Calcular el caudal del flujo en la sección ubicada aguas arriba, tomando en
cuenta:
6.1. La fórmula de Manning y la velocidad promedio de la sección.
6.2. La fórmula de Manning y la velocidad ponderada de la sección.
6.3. El método de aforo de secciones presentado en la práctica.
7. Conclusiones de la realización de la práctica. Comparar los caudales
calculados contra el caudal medido en la tubería venturi de ingreso al canal. Anexar
todas las observaciones pertinentes y las posibles causas que las generan. Analizar el
porqué del valor del coeficiente de rugosidad “n” de Manning. Discernir sobre cuál de
los métodos de aforo puede ser mejor (más favorable, práctico, preciso, etc. ).
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