PRÁCTICA: CANAL HIDRODINÁMICO

PRÁCTICA: CANAL HIDRODINÁMICO
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Descripción de los equipos y esquema de la instalación
El equipo utilizado para esta práctica es un Canal Hidrodinámico para ensayo de una presa de
cresta ancha y un medidor de caudal en canal Venturi. El canal es transparente con una longitud
de 2,5 m de largo. El agua es impulsada por una bomba centrífuga desde un depósito de
almacenamiento que cierra el circuito de agua.
1. Elemento para canal de 2,5 m.
2. Elemento de admisión con efecto de tobera.
3. Ranura para rebosadero
4. Elemento de desagüe.
5. Depósito de almacenamiento con válvula de desagüe.
6. Instrumento de medición de caudal.
7. Válvula de bloqueo.
8. Caballete con rodamiento fijo, bomba centrífuga y caja de distribución.
9. Conducto de presión.
10. Válvula de evacuación con empalmes de medición.
11. Ajuste de inclinación con volante de mano.
Área de Máquinas y Motores Térmicos
Prácticas de Laboratorio
Objetivos. Los objetivos de esta práctica son:
1. Obtener el caudal de agua a partir del nivel aguas arriba en una presa de cresta ancha
2. Observar la transición desde el comportamiento de presa aliviadero hasta el
comportamiento de dique sumergible.
3. Obtener el caudal de agua a partir del nivel aguas arriba en un canal Venturi.
4. Observar la propagación de perturbaciones en distintos tipos de flujo.
Introducción teórica.
Presa de cresta ancha
Una presa de cresta ancha es un bloque rectangular de altura Pw y longitud Lw que tiene una
cresta horizontal sobre la cual el flujo es crítico. Se coloca con la intención de provocar una
elevación artificial del nivel aguas arriba.
Según la altitud de la corona de la presa en relación al nivel aguas abajo, las presas se clasifican
en:
- Presas aliviadero.
- Diques sumergibles.
La misma presa puede presentar comportamiento de aliviadero o de dique sumergible
dependiendo del caudal de desagüe. Cuando el caudal es pequeño, la presa actúa como presa
aliviadero, pero con grandes caudales la profundidad aguas abajo aumenta con mayor rapidez
que aguas arriba y entonces se comporta como dique sumergible. La transición de un
comportamiento a otro se produce cuando el nivel aguas abajo supera la altura de la corona de la
presa.
El parámetro decisivo a la hora de dimensionar una presa en el curso de un río es la altura del
aliviadero h. Esta altura se debe medir aguas arriba a una distancia de la presa L > 4h. Si se
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fijan la altura Pw y el ancho b de la presa, el cálculo de la altura del aliviadero se reduce a la
dependencia h=f(Q).
En un dique sumergible es difícil determinar matemáticamente su comportamiento, debido al
remanso. En un aliviadero perfecto (nivel aguas abajo debajo de la corona de la presa) se
obtiene como se describe a continuación.
El flujo sobe una obstrucción lo suficientemente alta en un canal abierto es siempre crítico. Por
lo tanto la velocidad de flujo sobre un vertedero lo suficientemente ancho se expresa como:
(1.1)
Donde yc es la velocidad crítica. Entonces el caudal sobre un vertedero de ancho b puede
expresarse como:
(1.2)
Para relacionar la velocidad crítica yc con la altura del aliviadero h, se utiliza la ecuación de la
energía ente la sección aguas arriba y la sección sobre el vertedero para flujos con fricción
despreciable:
(1.3)
Sustituyendo Vc de la ecuación 1.1 en 1.3, despejando yc y sustituyendo en 1.2 se obtiene:
(1.4)
Se pueden considerar los efectos de la fricción introduciendo un coeficiente de descarga del
vertedero μ. Una ecuación que estima el caudal como función de la altura aguas arriba es:
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(1.5)
Canal Venturi
De la misma forma que el medidor Venturi en tubos se utiliza para medir el caudal en flujos
cerrados, el canal Venturi se utiliza para medir el caudal en canales abiertos. El medidor Venturi
consiste en dos placas colocadas a cada lado del canal para producir un estrangulamiento en su
sección.
El cálculo del caudal de paso Q por un medidor Venturi se basa en la Ecuación de Continuidad
entre dos secciones 1 y 2 del canal:
(2.1)
Donde b1 es la sección del canal antes del medidor, y b2 es la sección mínima dentro del
medidor Venturi.
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La ecuación de la energía nos da:
(2.2)
Si en la sección de estrangulamiento se alcanzan condiciones críticas, entonces y2=2/3 Es.
Sustituyendo esta expresión en 2.1 y 2.2:
(2.3)
Donde C es el coeficiente para el estrangulamiento, que depende de los siguientes parámetros:
(2.4)
Mediante la siguiente gráfica:
Método experimental. A continuación se detallan los pasos a seguir para resolver la práctica.
Todos los cálculos y resultados se entregarán en un único archivo del programa EES.
Se medirá la altura h sobre la corona en la presa de cresta ancha y el nivel aguas arriba del canal
Venturi para diferentes caudales. Para ello se seguirán los siguientes pasos:
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1º. Montar la presa de cresta ancha con el borde suave aguas arriba, y el Venturi aguas abajo del
anterior.
2º. Asegurarse mediante el interruptor b del cuadro de mando, de que la alimentación a la
bomba está cortada (posición off).
3º. Comprobar que no existen tornillos, herramientas u otras piezas sueltas en el interior del
canal. Podrían ser absorbidas por la bomba, provocando su daño.
4º. Conectar el equipo a la toma de red eléctrica.
5º. Comprobar que el interruptor de emergencia (c) no está enclavado. Cerrar la válvula que se
encuentra situada a la izquierda del cuadro de mando y pulsar el botón de arranque (a). Abrir la
válvula suavemente hasta alcanzar el caudal deseado, que se indica en el instrumento de
medición del caudal.
6º. Nivelar el canal mediante el volante de mano.
7º. Colocar el dispositivo de medición de nivel sobre el canal y calibrarlo.
8º. Realizar las medidas de nivel necesarias para completar la práctica.
9º. Al finalizar la práctica el canal debe quedar vacío y todos los equipos secos y guardados en
su lugar correspondiente.
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Resultados:
1. Obtener el caudal de agua a partir del nivel aguas arriba en una presa de cresta ancha
Se completarán las medidas indicadas en la siguiente tabla y se representará mediante EES la
curva de caudal frente al nivel h para los valores medidos, junto con los valores calculados
mediante la fórmula (1.5).
CAUDAL MEDIDO CON PRESA DE CRESTA ANCHA (μ=0,55)
Experiencia
Q (m3/h)
h (m)
Q calculado (m3/h)
1
2
3
4
5
7
2. Obtener el caudal de agua a partir del nivel aguas arriba en un canal Venturi
Se completarán las medidas indicadas en la siguiente tabla y se representará mediante EES la
curva de caudal frente al nivel h para los valores medidos, junto con los valores calculados
mediante la fórmula (2.3).
CAUDAL MEDIDO CON CANAL VENTURI
Experiencia
Q (m3/h)
h (m)
C
Q calculado
(m3/h)
1
2
3
4
5
8