TALLER DE HIDRAULICA 1. ¿QUE ES EL EFECTO DE CORIOLIS? Un objeto, al desplazarse sobre cualquier sistema que rota, sufre una aceleración adicional producida por una "fuerza" perpendicular al movimiento; esta fuerza causa una desviación en el recorrido de los objetos que se desplazan sobre la superficie terrestre, dando lugar a una trayectoria curva en el desplazamiento de estos. Esta desviación se da a la derecha en el hemisferio norte y a la izquierda, en el sur. Esta "fuerza" es la Fuerza de Coriolis. Ella "se siente" pero en realidad NO es una FUERZA REAL ya que no efectúa trabajo. Este efecto consiste en la existencia de una aceleración relativa del cuerpo en dicho sistema en rotación. Esta aceleración es siempre perpendicular al eje de rotación del sistema y a la velocidad del cuerpo. El efecto Coriolis hace que un objeto que se mueve sobre el radio de un disco en rotación tienda a acelerarse con respecto a ese disco según si el movimiento es hacia el eje de giro o alejándose de éste. Por el mismo principio, en el caso de una esfera en rotación, el movimiento de un objeto sobre los meridianos también presenta este efecto, ya que dicho movimiento reduce o incrementa la distancia respecto al eje de giro de la esfera. Este efecto tiene su origen en la diferencia de velocidad que existe entre el ecuador y los polos. En el ecuador, la distancia a recorrer en un movimiento de rotación es mayor que en los polos, lo cual provoca una diferencia entre la velocidad de rotación en ambos lugares. Un objeto que se desplace desde el ecuador hacia uno de los polos se desviará (o más bien parecerá desviarse debido a la diferente rotación del planeta bajo él). El efecto Coriolis influye sobre todo lo que se mueve sobre la faz de la Tierra: la atmósfera, las corrientes oceánicas, las aeronaves, las corrientes que fluyen, y aun sobre un automóvil que corre a lo largo de un camino. Cabe resaltar, que el efecto Coriolis no provoca que los desagües giren en un sentido diferente en cada hemisferio. Este efecto sencillamente no se produce ya que el actúa sobre fuerzas mucho más grandes que un simple desagüe, tales como las mencionadas anteriormente (un huracán, corriente oceánica, etc.).El sentido en el que gira el agua en nuestras bañeras, lavabos y desagües depende de otros factores ajenos al efecto Coriolis tales como: vibraciones sísmicas, movimiento del aire en la zona, las corrientes creadas al retirar el tapón, las olas, forma y dirección del desagüe, el efecto Coanda, etc. Por otro lado también es importante mencionar que los cuerpos que recorren distancias pequeñas y que se mueven muy rápido no "sienten" el efecto de esta fuerza. Si así lo fuera sería muy difícil jugar al básquet o al fútbol 1.1 ¿EN QUE ECUACIÓN SE EMPLEA? El coeficiente de Coriolis se emplea en los cálculos que intervengan la energíay se utiliza en la ecuación del teorema de Bernoulli, pues en este teorema se identifican los cambios de energía en una sección de un tubo de flujo utilizando como unidad de magnitud la energía por unidad de peso.La energía por unidad de peso viene dada por eltrinomio de Bernoulli: Donde: z: es la altura del cauce respecto al plano horizontal de referencia. y: es el calado. α: es el coeficiente de Coriolis que tiene en cuenta la distribución transversal de velocidades v: es la velocidad del fluido. 1.2 ¿A QUE ES IGUAL Y CUAL ES EL VALOR QUE TOMA GENERALMENTE? Como resultado de la distribución no uniforme de velocidades en una sección de canal, la altura de velocidad de un flujo en canales abiertos es por lo general mayor que el valor calculado de acuerdo con la expresión V^2/2g donde V es la velocidad media. Cuando se utiliza el principio de energía en cálculos, la altura de la velocidad real puede expresarse como α(V^2 / 2g). El coeficiente de Coriolis α que aparece en la expresión de la energía cinética, representa la relación que existe, para una sección dada, entre la energía real y la que se obtendría considerando una distribución uniforme de velocidades. Su valor se calcula con la siguiente ecuación: Dónde: Vh: Componente vertical de la velocidad a una profundidad h dA: Diferencial de área correspondiente a la velocidad V:= Velocidad media A: Área total. Obsérvese que representa la relación que existe, para una sección dada, entre la energíar eal y la que se obtendría considerando una distribución uniforme de velocidades. El uso del coeficiente de Coriolis, depende de la exactitud con que se estén haciendo los cálculos, generalmente el valor que se toma de este coeficiente es α = 1 ya que, en canales de sección transversal de tamaño regular y alineamientos casi rectos el efecto de la distribución no uniforme de la velocidad sobre el cálculo de la carga de velocidad y la cantidad de movimientos es pequeño; además el valor de este coeficiente cuando se trata de un fujo de tipo turbulento toma un valor de 1 y en Hidráulica setrabaja generalmente en régimen turbulento. 1.3 ¿DENTRO DE QUE VALORES VARIA? El coeficiente de Coriolis tiene, en general, valores superiores a la unidad y es mayor tanto menos uniforme sea la distribución de velocidades en la sección de escurrimiento. Para régimen laminar es posible deducir que α= 2, sin embargo en régimen turbulento se tiene α=1.Como en Hidráulica setrabaja generalmente en régimen turbulento, este término no se verá afectado. Por otra parte, los ensayos experimentales muestran que el coeficiente de Coriolis α varía entre 1.03 y 1.36 para los canales prismáticos (canales con sección transversal y pendiente del fondo constante). 1.4 ¿DE QUE VALOR DEPENDE SU VARIACION? La variación de coeficiente de coriolis depende en primera instancia del tipo de flujo que se esté presentado en el sistema de tuberías analizado, una de las formas de determinar el tipo de flujo es a través del cálculo del número de Reynolds. Las pruebas realizadas por Stanton y Panell (1914) han demostrado que la razón de la velocidad promedia a la máxima en una tubería de acción transversal circular, varía con el número de Reynolds, como se muestra en la tabla siguiente: Como la velocidad de flujo de agua en las tuberías es siempre de índole turbulento (R>10000), se puede decir en general que la velocidad promedio del agua en una Tubería es aproximadamente el 80% de la velocidad máxima. Los experimentos realizados por Bazin y otros, indican que para el agua que fluye con movimiento turbulento en una tubería recta, el coeficiente de Coriolis tiene un valor aproximado de 1,06 y que para flujo laminar tiene un valor de 2,0. Por otra parte los valores del coeficiente de Coriolis dependen del tipo de curvade distribución de velocidades, específicamente de la relación que existe entre la velocidad máxima y la media tal como se expresa en las siguientes ecuaciones: Siendo Según estudios hechos por Kolupaila se pueden considerar los siguientes valores aproximados de α y β presentados en la siguiente tabla: 1.5 ¿POR QUÉ APARECE EL CONCEPTO DE EFECTO DE CORIOLIS EN HIDRAULICA? El teorema de Bernoulli fue establecido para una línea de corriente. La ecuación estableceque la suma de Bernoulli es constante a lo largo de la línea. Esto significa que cada línea de corriente tiene un valor propio para la suma de Bernoulli. Para cada línea de corriente, en una sección determinada, el valor de la velocidad es Vy la energía cinética correspondiente es V2 . 2g Pero, al ingeniero no le interesa trabajarcon líneas de corriente aisladas, sino con la totalidad del escurrimiento. Consideremos un flujo paralelo. En el flujo paralelo hay una distribución hidrostática P depresiones y por lo tanto la suma γ + Z, o sea la cota piezométrica, es idéntica para todaslas líneas de corriente y la variación que hay entre la suma de Bernoulli para las diferenteslíneas de corriente se debe al gradiente de velocidades. Para extender el teorema de Bernoulli a toda la sección transversal, habría que tomar V2 elpromedio de los valores de2g . Como esto es difícil de hacer en la práctica, pues setendría queconsiderar un número infinito, o muy grande, de filetes, se busca una equivalencia, o una aproximación, mediante el cálculo de la energía que corresponde a lavelocidad media.En estas condiciones es evidentemente que esto no es exacto, pues lo que se tiene no es una velocidad única y si una distribución de velocidades. Y es ahí donde el coeficiente de coriolis aparece en hidráulica, ya que la energía para toda la sección transversal, obtenido con la velocidad media, debe corregirse a través de este coeficiente de la siguiente manera: P1 αV12 P2 αV22 + Z1 + = + Z2 + + ΔH (m) γ 2g γ 2g 1.6 ¿CUÁNDO Y PORQUE AUMENTA EL VALOR DEL COEFICIENTE DE CORIOLIS? El coeficiente de Coriolis aumenta cuando se da el flujo laminar, gracias al fuerte gradiente de velocidades, dando como resultado así valores grandes de este coeficiente. Se demuestra fácilmente que en una tubería con escurrimiento laminar: 2. ¿QUE ES EL COEFICIENTE DE BOUSSINESQ? El coeficiente de Boussinesq , también llamado el coeficiente de momentum, está presente en la ecuación de movimiento para tomar en cuenta las distribuciones de velocidad no uniformes en las secciones transversales. Su nombre se debe en honor a quien lo propuso por primera vez. El valor de la cantidad de movimiento obtenido para toda la sección transversal a partir de la velocidad media, debe corregirse mediante el coeficiente de Boussinesq. 2.1 ¿EN QUE ECUACION SE EMPLEA? El coeficiente de Boussinesq, se expresa en la ecuación de un fluido que pasa a través de una sección de canal por unidad de tiempo, que se expresa como w Q /g, donde es el coeficiente de momentum, w es el peso unitario del agua, q es el caudal, v es la velocidad. 2.2 ¿A QUE ES IGUAL? En muchos casos se justifica considerar: β = 1, siendo un valor límite utilizado generalmente en secciones transversales de alineación casi recta y tamaño regular; en este caso la distribución de la velocidad será estrictamente uniforme. El valor de β se determina mediante la siguiente ecuación: Dónde: Vh =Componente vertical de la velocidad a una profundidad h dA = Diferencial de área correspondiente a la velocidad Vh V = Velocidad media A = Área total δ = densidad del fluido Q = caudal 2.3 ¿DENTRO DE QUE VALORES VARIA? Se ha encontrado que el valor de β para canales prismáticos aproximadamente rectos varía desde 1.01 hasta 1.12. 2.4 ¿DE QUE VALORES DEPENDE SU VARIACION? La variación de los valores del coeficiente de Boussinesq, depende en gran medida del tipo de canal en el cual se este trabajando, así: Para canales de sección combinada (doble trapecio, trapecio más rectángulo, etc.), el valor de β depende de la forma de la sección expresada a través de los parámetros de w, n y £ y de la distribución de velocidades en función de n. Para canales trapezoidales el valor de β, está influenciado además de la distribución de velocidades, por la relación entre el ancho en el fondo B y el ancho superficial B1. Para canales triangulares y rectangulares el valor β es independiente del tamaño de la sección. Su valor es una función exclusiva de la distribución de velocidades. 3. ¿CUALES SON LAS DESVENTAJAS DE LOS VERTEDEROS COMO AFORADORES? Necesidad de saltos grandes de aguas, con la consiguientes perdida de altura, lo que hace que su empleo en terrenos nivelados sea casi impracticable. Acumulación de grava, arena y limos aguas arriba del vertedero, lo que resta exactitud a las mediciones y obliga a una continua limpieza y mantención. Una distinción más importante es entre dispositivos estándar y no estándar. Un vertedero o aforador estándar es el que se construye e instala siguiendo especificaciones uniformes y cuando el caudal puede obtenerse directamente de la profundidad de la corriente mediante el empleo de diagramas o tablas de aforo, es decir, cuando el aforador ha sido previamente calibrado. Un vertedero o aforador no estándar es el que necesita ser calibrado individualmente después de la instalación mediante el empleo del método velocidad/superficie como cuando se establece el aforo de una corriente. Existe un conjunto tan amplio de dispositivos estándar que es preferible evitar las estructuras no normalizadas salvo para hacer cálculos aislados de los caudales de la corriente utilizando el método velocidad/superficie en un puente o un vado o una alcantarilla. La mayor parte de los vertederos están concebidos para una descarga libre sobre la sección crítica con el fin de que el caudal sea proporcional a la profundidad de la corriente en el vertedero, pero algunos vertederos pueden funcionar en una situación denominada sumergida o ahogada, en el que el nivel de aguas abajo interfiere con la corriente sobre el vertedero. Algunos tipos de vertederos se pueden corregir mediante la sumersión parcial, pero esto constituye una complicación poco conveniente que requiere medidas adicionales y más cálculos, por lo que se la debe evitar siempre que sea posible. Otra variación que también es preferible evitar, es la del vertedero sin contracción, que es un vertedero instalado en un canal del mismo ancho que la sección crítica. 4. PRESENTE LAS CONSIDERACIONES DE LOS AFORADORES TIPO CANALETA COMO LOS AFORADORES SI CUELLO Y EL AFORADOR CALLOFFET. PRESENTE FIGURAS CON CORTES DE LOS AFORADORES ANTERIORES Y UN EJERCICIO DE CADA UNO. Aforador sin cuello El aforador "sin cuello," es un nombre que se ha adaptado del original en ingles "CutthroatFlume." A pesar de que varios expertos no consideran el aparato digno de confianza como un medidor de agua, hay otros que dicen que si da buenos resultados. Se da a continuación una breve descripción de ello y su uso para medir el agua en los canales abiertos. Ha resultado de una serie de trabajos de G.V. Skogerboe, M.C. Hyatt, R.K. Anderson, y K.O. Eggleston. El aforador ofrece unas ventajas sobre el Parshall, tales como una fácil construcción e instalación con mayor economía. El aforador sin cuello tiene la forma que se muestra en la figura 5.16 y consiste de la sección de entrada convergente, la garganta de ancho, "W," y la sección de salida divergente. El fondo del aforador es plano en contraste con el aforador Parshall. La descarga o caudal se obtiene midiendo las profundidades de flujo, o carga, aguas arriba, Ha , y aguas abajo, Hb, de la garganta. Estas cargas se pueden medir con escalas en las posiciones indicadas en la figura o bien con pozos tranquilizadores. La descarga en el aforador sin cuello bajo condiciones de flujo libre depende únicamente por la carga aguas arriba, Ha . Se calcula por la ecuación: (5.10) donde: Q = descarga o caudal en m3 /s Ha = Carga en m n = exponente del flujo libre C = coeficiente del flujo libre La relación entre la longitud del aforador (L) , la sumersión transitoria (St) y los Coeficientes y Exponentes para el calculo de la descarga de Condiciones de Flujo libre y Sumergido son mostrados en la tabla 5.4. Tabla 5.4. Parámetros para aforadores sin cuello L (Metros) St(%) Flujo (n) 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.7 60.7 62.0 63.0 64.2 65.3 66.4 68.5 70.5 72.0 73.8 75.5 77.0 78.4 79.5 80.5 2.080 1.989 1.932 1.880 1.843 1.810 1.756 1.712 1.675 1.646 1.620 1.600 1.579 1.568 1.562 Libre(K) 6.15 5.17 4.63 4.18 3.89 3.60 3.22 2.93 2.72 2.53 2.40 2.30 2.22 2.15 2.13 Flujo(ns) 1.675 1.600 1.550 1.513 1.483 1.456 1.427 1.407 1.393 1.386 1.381 1.378 1.381 1.386 1.390 Sumergido(Ks) 3.50 2.90 2.60 2.35 2.15 2.00 1.75 1.56 1.45 1.32 1.24 1.18 1.12 1.08 1.06 Figura 5.16. Planta del aforador sin cuello El valor del exponente n depende de la longitud, L, del aforador. El valor del coeficiente de flujo libre, C, depende de la longitud y el ancho de la garganta, W. El valor de esta se da por: C = KH l.025 El valor de K depende de la longitud del aforador. El cuadro da valores de estos factores. Para determinar el caudal cuando el aforador funciona bajo condiciones de flujo sumergido, tiene que medirse la profundidad aguas arriba, H a y aguas abajo, Hb, Con estas condiciones el caudal se determina por: Donde: Q = descarga en m /seg. Ha = profundidad aguas arriba en m Hb = profundidad aguas abajo en m n = exponente de flujo libre nS = exponente de flujo sumergido S = la sumersión Hb/Ha en forma decimal CS = coeficiente de flujo sumergido – KS W 1.025 Los valores de KS y NS se pueden tomar de la tabla 5.4. También en el cuadro aparece un St, que es la sumersión transitoria o sea el límite de sumersión entre el flujo libre y el flujo sumergido. Ejemplo: La determinación del caudal en un aforador sin cuello se muestra por medio de los siguientes ejemplos: 1. W = 20 cm, L = 180 cm Ha = 0.25 m, Hb = 0.10 m Entonces De la tabla el valor de St = 73.7%, y como S es menor que St hay flujo libre en el aforador y se pueden usar las ecuaciones para obtener la descarga. C = KW 1.025 y por lo tanto C = 2.53 (0.20) 1.025 = 0.486 De la tabla 5.4 el valor del exponente n es 1.65 y el caudal se calcula por la ecuación: 2. W= < 10 cm" >10 cm, L = < 90 cm" >90 cm Ha= < 30 cm" >30 cm Hb= < 27 cm" >27 cm La sumersión De la tabla St= 65.3% Como S es mayor que St tenemos flujo sumergido y se calcula la descarga por medio de la ecuación: De la tabla 5.4 el valor de KS = 2.15, n = 1.843 y nS= 1.483 entonces C = 2.15 (.10)1.025=0.203 Cabe mencionar que el colog S = - log S ó en nuestro caso el colog (0.9) = 0.0458 Aforador ballofet Consideraciones de diseño del aforador tipo Balloffet: Esta canaleta pertenece a los aforadores de flujo crítico. Este aforador se caracteriza por tener paredes paralelas y fondo plano, por lo cual se hace extremadamente fácil su construcción, a la vez posee características de solidez y resistencia a las condiciones de campo. Además, si se presenta escurrimiento critico en la garganta, no se ve afectada por problemas de sedimentación. Su estructura es sencilla, y en el caso de instalarla en un canal rectangular ya construido resulta económica. Esta canaleta pertenece a los aforadores de flujo crítico. En su diseño es necesario considerar que las paredes sean paralelas y fondo plano, para que su construcción sea extremadamente fácil. Deber ser solido y presentar resistencia a las condiciones de campo. En caso de que se presente un escurrimiento critico en la garganta, no se ve afectada por problemas de sedimentación. En caso de ser instalada en un canal rectangular ya construido resulta económica. Ejercicio: Se da: Un canal, revestido de cemento, que transporta normalmente un caudal de 1,27 m3/s, con una profundidad de 0,84 m. El caudal mínimo que se va a medir es de unos 0,14 m3/s, y el máximo, de unos 1,56 m3/s. Los cajeros del canal tienen una relación de pendiente de 1,25: 1 *, SU solera, una anchura de 0,61 m y SU profundidad total es de 1,07 m. Se pide: Elegir un dispositivo canalizado de medida, a cielo abierto, para medir caudales comprendidos entre los límites que se señalan en los datos, y tal que, cuando el canal vaya lleno (1,56 m3/s), produzca la menor pérdida de carga posible. Cálculo: Mediante cálculos hidráulicos, basados en la fórmula de Manning, En la que: v = velocidad media de la corriente, en metros/segundo, n = coeficiente de rozamiento de Manning, R = radio hidráulico (área de la sección del agua/perímetro mojado), Sb = pendiente de la solera del canal. Para n=0,014 y Sb=0,0005, a la profundidad normal dada para el agua de 0,84m corresponde aproximadamente 1,274m^3/s, lo que nos da una idea aceptable del calado del agua en el canal de cola para otros caudales. La curva resultante se muestra a continuación: Figura 1. La función exponencial que relaciona la profundidad normal del agua en el canal de cola y2, en metros y el caudal Q en metros cúbicos/ segundo, para el mismo canal, puede expresarse, aproximadamente, por la ecuación: El coeficiente de rozamiento, n, dependerá de la naturaleza de la solera y de los cajeros del canal. En los proyectos muy conservadores este coeficiente de fricción deberá tomarse en sus valores más altos para estimar los calados de las aguas de cola. Afín de mantener una pérdida de carga muy baja para el caudal de diseño se aconseja utilizar aforadores anchos y poco profundos. Además una transición gradual, aguas abajo, influye significativamente en el límite modular, especialmente si se trata de un aforador con resalto. Para las diferentes relaciones de expansión del tramo de transición de aguas abajo, se puede utilizar los valores aproximados del límite modular. Dependiendo de la disponibilidad de altura de carga, se recomienda que al aforador o vertedero se le dote ya sea de una transición brusca (0,1), ya sea de 6:1, si la transición 6:1 hiciese demasiado larga la obra, se recomienda truncar esta transición en lugar de construir otra menos gradual. En el ejercicio la altura de carga está limitada, por lo que se elige una relación de expansión, aguas debajo de la garganta trapezoidal; 6:1 y, en consecuencia se puede utilizar 0,85 como límite modular. Ahora se halla por aproximaciones sucesivas, una forma de la sección de control y una altura del resalto tales que, para cualquier caudal que se mida, se cumpla que: Altura del resalto ≥ profundidad del agua de 3 cola, lo que, aplicado a nuestro ejercicio, resulta ser; Las paredes de la sección de control tienen la misma pendiente que los cajeros de canal revestido (1,25:1) y así, la anchura de la solera de la sección de control, bc, aumentará al incrementar la altura del umbral, p1=p2. Tras varios ensayos se llega a elegir un aforador cuya altura de resalto es de 0,457m, para el cual, se han representado las curvas de Q con respecto a h1 y de Q con respecto a (h1 + p2) de la figura anteriormente mostrada. La línea de trazos p2 + 0,85h1, permanece, para cualquier caudal, por encima de la curva correspondiente al canal de cola (Q respecto a y2); de este modo, el aforador elegido puede medir todos los caudales sin interferencias del nivel de aguas abajo, en función de Q con respecto a h1. La pérdida de carga del aforador, para el caudal de diseño (Q=1,274m^3/s), puede también obtenerse de la figura anterior, y es igual a (h1 + p2) – y2= 0,92 – 0,84= 0,08m. La figura 1 muestra que para caudales menores, la perdida de carga en el aforador aumenta. Por ejemp1o; para el caudal mínimo que ha de medirse (Q = 0,14 m3/s), su valor es de 0,59 - 0,27 = 0,32 m. Este aumento de la pérdida de carga para caudales menores, solamente se produce Si la curva de Q con respecto a h, del aforador o del vertedero, en la Figura 1 tiene una pendiente igual o menor que la curva de Q con respecto a y2, del canal de cola. Si la curva de Q con respecto a h, del vertedero tuviese una pendiente mayor (por utilizar, por ejemplo, una sección de control rectangular), o si la curva de Q con respecto a y2 fuese menos pendiente (como es el caso de medidores que vierten a un embalse o a un canal relativamente ancho), la perdida de carga se reduciría al disminuir el calado del curso de agua. Esto conduce, frecuentemente, a una sumergencia total del aforador para caudales pequeños mientras que, para el máximo caudal, funciona correctamente. Por lo tanto, se recomienda verificar el límite modular de los aforadores para ambos regímenes del caudal previsto, máximo y mínimo. Si el caudal máximo a medir fuese menor que el antes utilizado de 1,27m^3/s, por ejemplo, Q= 0,90m^3/s, la línea del 0,85% de sumergencia queda bastante por encima de la curva de Q con respecto a y2. Para Q= 0,90m^3/s existe un resguardo de 0,06m, lo que indica que el vertedero de la figura 1, es demasiado alto y, en consecuencia, excesivamente costoso. El resalto puede bajarse algunos centímetros, lo que reduce la longitud y la anchura de la obra y aumenta el margen de resguardo aguas arriba del umbral. Otra opción más económica puede ser la de suprimir la transición de aguas abajo, (utilizando una relación de expansión de 0:1). El límite modular del aforador se reduce así a 0,75. En este caso la curva de trazos de sumergencia de la Figura se dibujaría más abajo, si bien quedaría siempre por encima de la curva de Q con respecto a yz para el caudal máximo medido. TALLER DE HIDRAULICA KAREN RUIZ RIVERA MARIO SALAS ESCOBAR ANTONIO GOMEZ CERRA ESTEBAN PEREZ BOTIA ING. LUIS DIAZ PERALTA ASIGNATURA: HIDRAULICA UNIVERSIDAD DE SUCRE FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA CIVIL SINCELEJO – SUCRE 2012