Informe 1- Curva DE Energía Específica EN UN Canal Rectangular PDF

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Curva de Energía específica-experimentación (informe) ...

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1. TEMA: CURVA DE ENERGÍA ESPECÍFICA EN UN CANAL RECTANGULAR 2. INTRODUCCIÓN El flujo en un canal se produce, principalmente, por la acción de la fuerza de gravedad y se caracteriza porque expone una superficie libre a la presión atmosférica, siendo el fluido siempre un líquido, por lo general agua”[ CITATION Sot02 \l 12298 ].

La principal

diferencia del flujo en tubería es la exposición a la atmósfera. El movimiento de un líquido a superficie libre se ve afectado por las mismas fuerzas que intervienen en el flujo dentro de un tubo como son la fuerza de resistencia ocasionada en las fronteras rígidas por la fricción. La fuerza producida por la presión que se ejerce sobre las fronteras del canal y la fuerza debida a la viscosidad del líquido, entre otras. Existen diferentes formas de clasificar un flujo en un canal, dependiendo del criterio que se inspecciona, por lo cual para criterio de espacio el flujo puede ser uniforme si los parámetros velocidad no cambian respecto al tiempo, sin embargo, si el cambio en la condición del flujo con respecto al tiempo es importante, el flujo debe tratarse como no permanente. Para criterio de espacio puede ser un flujo uniforme o variado, dependiendo de si cambian o no respectivamente los parámetros del canal mencionados respecto al espacio. “Otra forma de definir el tipo de flujo en un canal, es utilizando el parámetro adimensional conocido como el número de Froude, que se expresa como la relación entre las fuerzas de inercia y de gravedad.” [ CITATION Día06 \l 12298 ] El flujo se puede describir como crítico, supercrítico o supercrítico en dependencia de que el número de Froude, sea igual, menor o mayor a 1 respectivamente. En el flujo subcrítico, son mayores las fuerzas de gravedad, por tanto, la velocidad es baja y el fluido tranquilo, mientras que para el flujo supercrítico predominan las fuerzas de inercia, en este caso la velocidad es alta y el flujo rápido. En el diseño de canales se debe considerar diferentes variables entre estas la energía específica, la misma que es de gran importancia ser calculada, ya que determina la capacidad para desarrollar un trabajo. “Mediante la energía específica se pueden resolver los más complejos problemas de transiciones cortas en las que los efectos de rozamiento son despreciables.” [ CITATION CUE11 \l 12298 ]

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3. OBJETIVOS 3.1.

Objetivo general 

Determinar la curva de energía específica a un caudal constante y permanente en un canal.

3.2.

Objetivos específicos



Determinar el tirante crítico Yc mediante la toma de diferentes tirantes Y.



Calcular y verificar los dos tipos de régimen crítico con su correspondiente profundidad crítica Yc, y energía específica mínima.



Clasificar el flujo para cada profundidad experimental.

4. MARCO TEÓRICO En canales abiertos, donde el flujo tiene una superficie libre el análisis es distinto al de tuberías, pues existe una superficie que puede cambiar con el tiempo y con el espacio, y también considerando que la profundidad de flujo, el caudal y las pendientes del fondo del canal y de la superficie son independientes. Debido a esta variación de parámetros en el diseño de canales abiertos, es importante definir la energía específica, que no solo permite establecer el calado crítico, y determinar si el flujo en el canal es subcrítico o supercrítico, pues al tener una aplicación directa entre el calado crítico y el tipo de régimen que presenta un flujo, permite solucionar los problemas que se presenten en los canales, ya sea reduciendo o aumentando la sección, o variando la elevación del fondo del cauce según se requiera. Pues la energía específica es definida como “(…) la energía por libra de agua en cualquier sección de un canal medido con respecto al fondo de éste”[CITATION Ven94 \l 3082 ]. Entonces la energía específica para un canal de pendiente pequeña es: 2

E= y+

V 2g

La cual indica que la energía específica es igual a la suma de la profundidad del agua más la altura de velocidad.

2

Fig. 1. Diagrama de energía específica de un canal rectangular

Extraído de: [ CITATION Anó12 \l 3082 ] Al graficar, la profundidad en función de la energía específica para una sección de canal y caudal determinado, se obtiene una curva de energía específica similar a la de la Fig.1. Diagrama de energía específica de un canal rectangular. Gráfica que se buscará obtener en la presente práctica para un canal de sección rectangular y un determinado caudal, para así poder establecer los rangos supercríticos y subcríticos, la energía mínima y su respectiva profundidad crítica. Adicionalmente, mediante aforos volumétricos se comprobará la profundidad crítica de canal mediante la aplicación de las siguientes fórmulas: yc=

√ 3

q2 g Donde:

( ) 3

q=Caudal unitario

g=Gravedad

m s

( ms ) 2

3

Para la energía mínima: 3 Emin= × yc 2 Donde: y c =Profundidad crítica(m)

Referencia bibliográfica: Anónimo. (28 de febrero de 2011). Energía específica. Obtenido de www.cuevadelcivil.com: http://www.cuevadelcivil.com/2011/02/energia-especifica.html Anónimo. (27 de Noviembre de 2012). Estudio de la energía específica en canales rectangulares. Obtenido de Scribd: https://es.scribd.com/document/114544521/Estudio-de-La-EnergiaEspecifica-Ern-Canales-Rectangulares Chow, V. T. (1994). Hidráulica de canales. Bogotá: McGRAW-HILL. Obtenido de Hidráulica de canales abiertos. Díaz Ortiz, J. (2006). Mecánica de los fluidos e hidráulica. Cali: Universidad del Valle. García, M. (04 de 2015). Energía específica y tirante crítico. Obtenido de Slideshare: https://es.slideshare.net/mgarcianaranjo/energia-especfica-46604328 Mónica, J. (2014). Trbajo de graduación previo a la obtención del título de Ingeniera Civil. Bases para el diseño hidráulico de transiciones en flujo subcrítico y supercrítico. Quito, Ecuador. Sotelo Ávila, G. (2002). Hidráulica de Canales. México: UNAM.

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5. EQUIPO, INSTRUMENTAL Y MATERIALES 5.1.

Equipo

1 Canal de Pendiente Variable

5.2.

INSTRUMENTAL

1 Cronómetro

A=

± 0,01 s

1 Jarra plástica

1 Regla metálica Capacidad:

A=

60 cm

± 1 mm

5

1 Recipiente Capacidad: 16 L

1 Tubo Pitot Capacidad= 10 ml A=

± 0.05 ml

1 Limnímetro Capacidad: A=

30 cm

± 0.1 mm

1 Probeta graduada Capacidad: 1000 ml A=

5.3.

± 10 ml

Materiales

6

Agua

1 Compuerta rectangular

6. METODOLOGÍA 1) Establecer en el canal una pendiente de aproximadamente cero. 2) Colocar una compuerta en el canal. 3) Medir con una regla el ancho del canal. 4) Encender el sistema de agua de bombeo del canal. 5) Abrir la válvula de control del flujo, y ajustar hasta obtener el caudal deseado. 6) Medir la profundidad del agua en el canal cuando el caudal se haya regularizado con el limnímetro encerado. 7) Medir la altura de velocidades con el tubo Pitot. 8) Variar la abertura de la compuerta en el canal. 9) Repetir el paso 6, 7 y 8, para 6 diferentes aberturas de la compuerta. 10) Realizar 3 aforos volumétricos recolectando agua en un recipiente y usando la probeta para medir el volumen del agua.

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7. TABLAS DE DATOS TABLA Nº 1. Determinación del caudal promedio Volumen

Tiempo

Caudal

Caudal promedi o

Ancho del Canal

V lt 4.17 3.99 3.98

t s 1.4 1.28 1.25

Q lt/s 2.98 3.12 3.18

Qp lt/s 3.09

Calado Crítico

B cm

Abertura de compuert a a cm

10.4

6.75

4.48

yc cm

TABLA Nº 2. Energía específica y régimen de flujo.

N° 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Calado Y cm 6.75 6.77 6.69 6.7

v2 /2g cm 0.95 1.13 2.21 2.6

Energía Específica E cm 7.7 7.9 8.9 9.3

3.55

5.45

3.57

Velocidad(T.pitot)

Froude

v cm/s 43.2 47.1 65.85 71.42

0.531 0.578 0.813 0.881

9.0

103.406

1.752

5.93

9.5

107.86

1.823

3.4

6.20

9.6

110.29

1.91

4.23 4.48

4.57 2.24

8.8 6.72

94.69 66.31

1.47 1.000

F

Tipo de Flujo Subcrítico Subcrítico Subcrítico Subcrítico Súper crítico Súper crítico Súper crítico Súper crítico crítico

8. CALCULOS TÍPICOS  Caudal (Q) V t Donde: V :Volumen registrado del aforo t :tiempo promedio transcurrido durante el aforo . 4.17< ¿ 1.4 s Q=¿ Q=

8

Q=2.98...