Examen 2017, preguntas y respuestas PDF

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Primer examen Hidráulica Básica...

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HIDRÁULICA BÁSICA 1ER EXAMEN a) (1,0 punto) Escriba la relación entre el espesor de la subcapa laminar viscosa y la rugosidad absoluta que definen si el flujo es hidráulicamente liso e hidráulicamente rugoso:

La relación existente entre ´(espesor de la subcapa laminar) y k S (rugosidad absoluta) establece la diferencia entre: Flujo Hidráulicamente liso: ´ > kS Flujo Hidráulicamente rugoso: ´< kS b) (1,0 punto) El esfuerzo cortante en un fluido que escurre a través de un tubo circular: 1. Es constante en la sección transversal 2. Es cero en la pared y crece linealmente hacia el centro 3. Varía parabólicamente en la sección transversal 4. Es cero en el centro y varía linealmente con el radio 5. Ninguna de las anteriores c) (1,0 punto) Con flujo turbulento, un tubo rugoso tiene el mismo factor de fricción que un tubo liso: 1. En la zona de turbulencia completa para tubos rugosos 2. Cuando el factor de fricción es independiente del número de Reynolds 3. Cuando las proyecciones de la rugosidad son mucho más pequeñas que el espesor de la subcapa laminar 4. En toda la zona de transición 5. Cuando el factor de fricción es constante

d) (1,0 punto) El factor de fricción para flujos turbulentos en tubos lisos depende de las cantidades siguientes: 1) V, d, r, L,  2) Q, l, , r 3) V, d, r, p,  4) V, d, , r 5) p, l, d, Q, V e) (1,0 punto ) La línea de alturas piezométricas: 1. Siempre se encuentra por encima de la línea de alturas totales 2. Siempre se encuentra arriba de un conducto cerrado 3. Siempre tiene pendiente negativa en la dirección del flujo 4. Se encuentra a una distancia igual a la altura de velocidad por debajo de la línea de alturas totales 5. Se inclina hacia arriba en la dirección del flujo cuando la tubería se encuentra inclinada hacia abajo

f) (1,0 punto) En el diseño de tuberías simples, considerando la ecuación de Darcy - Weisbach: 1. Siempre se utiliza diámetros comerciales 2. Siempre se utilizan diámetros nominales 3. Siempre la suma de las pérdidas menores debe ser inferior a 30% de las pérdidas por fricción 4. Siempre la capacidad de la tubería es mayor o a lo sumo igual que la requerida 5. Se utiliza la metodología de la longitud equivalente para accesorios 1)1, 4, 5 2) 2, 3, 5 3) 1, 3, 4 4) 1, 3, 5 5) N.A.

g) (1 punto) Suponiendo que las tuberías de diferentes materiales tengan diámetros iguales. Para condiciones hidráulicas similares y para diámetros de diseño iguales, la tubería más lisa tiende a tener un diseño con un diámetro menor que la tubería más rugosa.

h) (1 punto) En los problemas de comprobación de diseño en redes abiertas, se resuelven: 1. Analíticamente utilizando igual número de ecuaciones que de incógnitas 2. Suponiendo que la pérdida es la misma para todas las tuberías 3. Mediante longitudes equivalentes 4. Suponiendo la altura piezométrica en cada unión y tratando de satisfacer la ecuación de continuidad 5. Suponiendo una distribución que satisfaga la ecuación de continuidad y efectuando correcciones sucesivamente i) (1,0 punto) Mencione y explique cada uno de los tipos de problemas en tuberías simples Comprobación de diseño: Consiste en determinar cuál es el caudal que pasa por la tubería Cálculo de la potencia requerida (bomba o diferencia de nivel) para mover un determinado caudal: Se presenta cuando se quiere utilizar una tubería existente para mover un cierto caudal demandado y se desea conocer la bomba que se debe ser colocada o la diferencia de nivel entre la entrada y salida de la tubería. Diseño de tuberías: Se desea obtener el diámetro necesario para permitir el paso del caudal demandado. Deben usarse diámetros internos, y se debe realizar tantas veces como materiales haya disponibles. Calibrar su comportamiento hidráulico: consiste en establecer la rugosidad absoluta de la tubería en el estado en que se encuentra operando, sin importar cuánto tiempo lleva instalada, que produce esa caída en la presión piezométrica para el caudal medido. j) (1,0 punto) Escriba las ecuaciones: Darcy – Weisbach , Hazen – Williams (pérdida de carga), ecuación implícita del coeficiente de fricción Colebrook – White, ecuación explicita de la velocidad, ecuación explicita de Swamee – Jain

hf  f V 

l V2 d 2g

 2 2g d hf l

h f 10,675

l C

1.852

Q1.852 d 4.8704

 k 2.51 l log 10  S   3.7 d d 2g d h f 

1  2 log 10 f

   

f 

 kS 2.51    3.7 d Re f 

   

0,25   kS 5,74   log 10  0, 9  3.7 d Re 

  

2

k) (1,0 punto) Los límites establecidos por Hazen – Williams para la aplicación de sus ecuaciones son: El fluido debe ser agua a temperaturas normales El diámetro debe ser superior o igual a 75 mm (3 pulg) La velocidad en las tuberías debe ser inferior a 3 m/s (10 pies/s)

  muestre un l) (1,0 punto) Defina curva de la bomba, curva del sistema y punto de operación de la bomba, h (% ) m H gráfico ( ) m Curva de la bomba: Curva de caudal contra altura piezométrica total (Q vs Hm) son suministradas por los fabricantes

H

A Curva del sistema: Se obtiene al plantear la ecuación de la energía para el sistema bomba tubería. m R

Punto de operación de la bomba: Es la intersección entre la curva de la bomba y curva del sistema.



Q E fic ie n c ia C u r v a d e la b o m b a C u r v a d e l s is te m a

A H Q

m R R

R

Q ( l/s )

= p u n to d e o p e r a c ió n d e la b o m b a = C a b e z a s u m in is t r a d a p o r la b o m b a = C a u d a l e n v ia d o p o r b o m b a

m) (1,0 punto) Para llevar a cabo el proceso de comprobación de diseño de tuberías en serie se debe suponer para la primera iteración el valor de la pérdida de carga por fricción para la primera tubería, explique y muestre la fórmula que se utiliza (basada en la ecuación de Darcy- Weisbach):

hf  f

l v2 d 2g

hf  f

l Q2 l Q2  f d 2g 2d 4 d 2gA2 42

2

hf 

8f l Q  2 d5 g

hf 

l d5

l1 d5 h f 1  HT n 1 l 1 d i5 i i n) (1,0 punto) Explique la diferencia entre Embalse y Tanque Embalse: Son fuentes de agua cuya altura piezométrica es fija Tanque: Fuente de agua cuya altura piezométrica es variable, ya que pueden tener un caudal de entrada y alimentar la red (tanques de entrada) o pueden ser alimentados por la red (redes matrices) y tener un caudal de salida. o) (1,0 punto) Para llevar a cabo el proceso de cálculo de la potencia para tuberías en paralelo se debe suponer inicialmente el valor del caudal para la primera tubería, explique y muestre la fórmula que se utiliza (basada en la ecuación de Darcy- Weisbach):

l v2 hf  f d 2g

h g  2d 5 Q2  f 8fl

l 42Q 2 hf  f d 2g  2d 4

d1

5

2

l1

Q1 QT n

 i 1

5

di 2 li

 d 52 Q F  l 

   

PARTE PRÁCTICA (5 puntos): Determinar la distribución de caudales en la red, donde “r“ representa el coeficiente de la fórmula h = r Q 2 . 250 L/s

30 L/s r = 25

r = 169 r = 400 r=

20 L/s

100

20 L/s r = 400

r = 4900

r = 8100 30 L/s

a)

Escribir las ecuaciones de continuidad y energía

ECUACIONES DE CONTINUIDAD Nudo 1: Nudo 2: Nudo 3: Nudo 4: Nudo 5:

250 – Q12 – Q16 = 0 Q12 – 30 – Q23 = 0 Q23 – 20 – Q34 – Q36 = 0 Q34 – 30 – Q45 = 0 Q45 + Q56 – 150 = 0

ECUACIONES DE PÉRDIDA DE CARGA EN CIRCUITOS Circuito 1: Circuito 2:

1440 Q16 2 - 100 Q362 - 169 Q23 2 - 25 Q12 2 = 0 100 Q36 2 + 4900 Q56 2 - 8100 Q452 - 400 Q 342 = 0

b) Repartir los caudales en los nudos de acuerdo al criterio expuesto en clase. Escriba su respuesta en el gráfico

NUDO

Q existente

1

250,000

3

150,000

6 4

TUBERIA ó TRAMO 12 16

r

r ^ (1/n)

25,00 400,00

34 36

100,00 400,00

5,00 20,00  10,00 20,00

65 45

1/ r ^ (1/n) 0,200 0,050 0,250 0,100 0,050 0,150

Q asumido L/s 200,000 50,000 100,000 50,000 80,000 70,000...