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LABORATORIO VIRTUAL N° 1• FLUJO PERMANENTE UNIFORME• SECCIONES COMPUESTACURSO: HIDRÁULICA DE CANALESSECCIÓN: CIGRUPO: 3PROFESOR: CONTRERAS FAJARDO, RAUL IVANALUMNO: HUAMANCHUMO SONO, DIEGO FABRIZIOCÓDIGO: U20181G2021 -EXPERIMENTO 01 FLUJO PERMANENTE UNIFORME1. Marco Teórico1. Flujo permanente unifor...

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Laboratorio de Hidráulica de Canales- UPC 2021-1

LABORATORIO VIRTUAL N° 1 • FLUJO PERMANENTE UNIFORME • SECCIONES COMPUESTA CURSO:

HIDRÁULICA DE CANALES

SECCIÓN:

CI76

GRUPO:

3

PROFESOR:

CONTRERAS FAJARDO, RAUL IVAN

ALUMNO:

HUAMANCHUMO SONO, DIEGO FABRIZIO

CÓDIGO:

U20181G582

2021-02 Página 1 de 19

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EXPERIMENTO 01 FLUJO PERMANENTE UNIFORME 1. Marco Teórico 1.1.

Flujo permanente uniforme Es el tipo de flujo fundamental que se considera en la hidráulica de canales abiertos. Se presenta cuando existe equilibrio entre las fuerzas y resistentes. Conforme cambia el tiempo, las características del flujo como el caudal, área, velocidad, tirante, no cambian, es decir, permanecen constantes con el tiempo. Además, estas características permanecen constantes a lo largo del canal. La línea de energía es paralela a la superficie libre del líquido y al fondo del canal. Este concepto es idealizad, porque en la realidad no se puede aislar la fricción que realiza el flujo en su traslado frenándolo y por lo tanto cambiando sus características. Por lo cual se puede desear en un flujo casi uniforme. En ingeniería se considera el flujo en canales y ríos como uniforme siempre que la pendiente del canal no sea muy grande, menor a 5°. Para el cálculo del flujo uniforme y permanente se emplea la fórmula de Robert Manning, expresión derivada de la de Antoine Chezy.

1.2.

Formulas



Aplicar ecuación de Manning para calcular el valor de la rugosidad teórica nt, compararla con el valor real.



Aplicar ecuación de Chezy para calcular el valor de la rugosidad teórica kt, compararla con el valor real.

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2. Objetivo 2.1.

General Calcular el valor del coeficiente de rugosidad de Manning (n) y el coeficiente de la rugosidad teórica (Kt) de Chezy para flujo uniforme y permanente para un Canal de hormigón colocado detrás de un encofrado y alisado.

2.2.  

Específico Identificar las características geométricas de un canal. Reconocer las características hidráulicas en el diseño del tramo de un canal utilizando las herramientas HEC-RAS.

3. Materiales   

Disponer de software Hec-Ras Internet Computadora

4. Realización de la práctica A través de Hec Ras diseñe el canal rectangular que tenga las siguientes características para flujo uniforme y permanente:      

La base debe ser de 40 cm. Altura del canal 60 cm. Con un caudal de 40 lt/s. La pendiente inicial 0.1%. Longitud 100 m Coeficiente de rugosidad de Mannig (Hormigón encofrado alisado) 0,014.

5. Procedimiento a) Ingresar al menú principal de HEC RAS

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b) Genere un proyecto con el nombre de “Lab 1 Flujo uniforme”

c) Ingresar los datos geométricos fijando dos secciones de interés aguas arriba, aguas abajo.

d) Genere el perfil del canal hidráulico uniforme y permanente. Página 4 de 19

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e) Modele el movimiento que tendrá el flujo en el canal (flujo permanente). f) Verifique cada uno de los gráficos y tablas que a generado el modelo. g) Con la metodología desarrollada debe determinar la “n” de Manning y “C” de Chezy del canal de pendiente variable (aplicar la fórmula de Manning y Chezy entre las dos secciones, considerando el radio hidráulico medio y la velocidad media). h) Considerar adecuadamente la pendiente que presentamos en el canal para desarrollar el laboratorio virtual. Q (lt/s) =

40

b (cm) =

40

Prueba #

So

y (m) A (m2) P (m) RH (m) V (m/s) Manning (n) Chezy ( C )

1

0.0010

0.20

0.08

0.80

0.10

0.49

0.0139

0.002164

2

0.0015

0.18

0.07

0.76

0.09

0.57

0.0136

0.001936

3

0.0020

0.16

0.06

0.72

0.08

0.63

0.0131

0.001553

4

0.0025

0.15

0.06

0.7

0.09

0.69

0.0146

0.002931

6. Reporte a) Presente todos los gráficos generados al ejecutar el Hec-Ras. b) Presentar las tablas generadas para los 4 valores de la pendiente del canal ejecutada en el software Hec-Ras. Con pendiente 0.0010 Del perfil del flujo podemos decir que se trata de un flujo uniforme pues a lo largo de este las características hidráulicas permanecen constantes

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Cuadro de sección 1

Cuadro resumen (Tabla Completa en Anexo 1)

Con pendiente 0.0015 Perfil de flujo

Cuadro de sección 1

Cuadro resumen (Tabla Completa en Anexo 2)

Perfil de flujo

Con pendiente 0.002

Cuadro de sección 1

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Cuadro resumen (Tabla Completa en Anexo 3)

Con pendiente 0.0025 Perfil de flujo

Cuadro de sección 1

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c) Calcular: - Área hidráulica, (m2/s). - Perímetro mojado, (m). - Radio hidráulico, (m).

A (m2) (b × y)

P (m) (b + 2y)

RH (m) (A / P)

Prueba #

So

1

0.0010

0.20 0.40 × 0.20 = 0.08

0.40 + 2 × 0.20 = 0.80 0.08 / 0.80 = 0.10

2

0.0015

0.18 0.40 × 0.18 = 0.07

0.40 + 2 × 0.18 = 0.76 0.07 / 0.76 = 0.09

3

0.0020

0.16 0.40 × 0.16 = 0.06

0.40 + 2 × 0.16 = 0.72 0.06 / 0.72 = 0.08

4

0.0025

0.15 0.40 × 0.15 = 0.06

0.40 + 2 × 0.15 = 0.7

y (m)

0.06 / 0.7 = 0.09

d) De las ecuaciones para flujo uniforme (Chezy y de Manning), despejar los coeficientes de rugosidad “n” y “kt” respectivamente. COEFICIENTE DE RUGOSIDAD “n”

Prueba # RH (m)

So

V (m/s)

n

1

0.10

0.0010

0.49

(0.10)2/3 × (0.0010)1/2 / 0.49 = 0.0139

2

0.09

0.0015

0.57

(0.09)2/3 × (0.0015)1/2 / 0.57 = 0.0136

3

0.08

0.0020

0.63

(0.08)2/3 × (0.0020)1/2 / 0.63 = 0.0131

4

0.09

0.0025

0.69

(0.09)2/3 × (0.0025)1/2 / 0.69 = 0.0146

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COEFICIENTE DE RUGOSIDAD “kt”

Prueba #

V*

C

δ

1

(9.81 × 0.10 × 0.0010)1/2 = 0.0313 (11.6 × 1×10-6) / 0.0313 = 3.706 × 10-4 0.49 / (0.10 × 0.0010)1/2 = 49

2

(9.81 × 0.09 × 0.0015)1/2 = 0.0364 (11.6 × 1×10-6) / 0.0364 = 3.187 × 10-4 0.57 / (0.09 × 0.0015)1/2 = 49.06

3

(9.81 × 0.08 × 0.0020)1/2 = 0.0396 (11.6 × 1×10-6) / 0.0396 = 2.929 × 10-4 0.63 / (0.08 × 0.0020)1/2 = 49.81

4

(9.81 × 0.09 × 0.0025)1/2 = 0.0470 (11.6 × 1×10-6) / 0.0470 = 2.468 × 10-4 0.69 / (0.09 × 0.0025)1/2 = 46

Prueba #

V*

δ

C

kt (12 × RH - 0.3δ × 10C/18) / 10C/18

1

0.0313 3.706 × 10-4

49

(12 × 0.10) - 0.3(3.706 × 10-4) × 1049/18) / 1049/18 = 2.164 × 10-3

2

0.0364 3.187 × 10-4

49.06

(12 × 0.09) - 0.3(3.187 × 10-4) × 1049.06/18) / 1049.06/18 = 1.936 × 10-3

3

0.0396 2.929 × 10-4

49.81

(12 × 0.08) - 0.3(2.929 × 10-4) × 1049.81/18) / 1049.81/18 = 1.553 × 10-3

4

0.0470 2.468 × 10-4

46

(12 × 0.09) - 0.3(2.468 × 10-4) × 1046/18) / 1046/18 = 2.931 × 10-3

e) Comparar los coeficientes calculados en el paso anterior, con los recomendados en diferentes libros de hidráulica para las mismas condiciones de revestimiento o acabado del modelo.

Prueba # Manning (n)

Chow (0.012 - 0.018)

Chezy ( C )

Chow (0.0003 a 0.003)

1

0.0139

EN EL RANGO

0.002164

EN EL RANGO

2

0.0136

EN EL RANGO

0.001936

EN EL RANGO

3

0.0131

EN EL RANGO

0.001553

EN EL RANGO

4

0.0146

EN EL RANGO

0.002931

EN EL RANGO

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7. Conclusiones 



 

El software Hec-Ras es una herramienta fundamental que a través de los datos iniciales nos permite hallar los valores como el tirante, la velocidad, línea de fondo de canal, línea de superficie de agua y línea de energía para luego calcular los coeficientes de rugosidad n y k. Los coeficientes de Mannign y Chezy están dentro del rango establecidos por el profesor de Ingeniería Ven te Chow, lo que nos deja un buen indicio de que el programa es totalmente útil para situaciones en las que se quiera determinar estos valores importantes en la vida real. La pendiente y el coeficiente de Manning son directamente proporcionales. Mientras menor sea el tirante, es decir, disminuye su altura, la velocidad irá aumentando.

7. Recomendaciones 

Tener precaución al ingresar las unidades y datos, pues se podrían obtener resultados distintos a los esperados.

 

Organizar correctamente las carpetas y los archivos donde se guardarán los datos y gráficos para evitar desorden y confusión de los datos Considerar al menos 3 decimales en los cálculos para evitar dispersiones muy elevadas.

7. Bibliografía 





Chow, V. (2004). Hidráulica de canales abiertos. McGRAW-HILL. Recuperado de: https://www.ucursos.cl/usuario/037b375d320373e6531ad8e4ad86968c/mi_blog/r/2_Chow_Ven_Te _-_Hidraulica_De_Canales_Abiertos.PDF PUCP. (S.F.). Flujo permanente y uniforme en canales. Mecanica de fluidos Cap 1. Recuperado de: https://repositorio.pucp.edu.pe/index/bitstream/handle/123456789/41245/mecanica _fluidos_cap01.pdf?sequence=7&isAllowed=y#:~:text=El%20flujo%20permanente%20 puede%20ser,del%20canal%20permanecen%20constantes%20las.&text=En%20el%20fl ujo%20variado%2C%20a,ca%20racteristicas%20hidr%C3%A1ulicas%20del%20fluio%20. Oliveras, J. (2016). Hidroj ING. Como seleccionar el coeficiente de rugosidad de Manning en cauces naturales. Recuperado de: https://www.hidrojing.com/comoseleccionar-el-coeficiente-de-rugosidad-de-manning-en-cauces-naturales/

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EXPERIMENTO 02 RUGOSIDAD COMPUESTA 1. Marco Teórico 1.1.

Secciones compuestas Las secciones transversales de un canal pueden estar compuesta de varias subsecciones de forma o rugosidad distintas por eso la rugosidad a lo largo del perímetro mojado puede ser diferente. Por ejemplo, el fondo está construido en un material y las paredes en otro. En este caso se puede calcular la velocidad utilizando un coeficiente n equivalente que se calcula mediante un promedio ponderado. Se asume que cada material tiene su propio perímetro mojado P1, P2 y P3, donde la velocidad en cada sección del área tiene la misma velocidad media V, es decir: v1 = v2 = v3 = v

1.2.

Cálculos El cálculo de una sección compuesta se realiza aplicando por separado la fórmula de Manning a cada subsección, obteniendo la velocidad media de la misma y el gasto correspondiente. Para las secciones parciales en que se divide el canal total, se tiene que la suma de estos gastos proporciona el total.

La velocidad media en toda la sección es igual a:

Horton_Einstein Para evaluar la n equivalente, suponen que: v1 = v2 = …= vn

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2. Objetivo 2.1

General Estudiar las características de un flujo uniforme y permanente que se desarrolla en un canal rectangular de sección compuesta.

2.2.   

Específico Identificar las características geométricas de un canal de sección rectangular compuesta Elabore la simulación del flujo uniforme y permanente en un canal rectangular de sección compuesta, con el software Hec-Ras. Calcular el “n” compuesto ponderado según la ecuación de Horton e Einsten.

3. Materiales   

Disponer de software Hec-Ras Internet Computadora

4. Realización de la práctica A través de Hec Ras diseñe el canal rectangular con sección compuesta que tenga las siguientes características:

La rugosidad: Fondo de piedra acomodada en mortero

n = 0.017

Lateral de mampostería de piedra partida cementada:

n = 0.025

base = 40 cm. Altura = 60 cm. Caudal =40 lt/s. Pendiente inicial = 0.1%. Longitud total del tramo = 100 m. Divida el tramo en Longitudes = 10m.

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5. Procedimiento a) Ingresar al menú principal de HEC RAS b) Genere un proyecto con el nombre de “Lab1 Rugosidad Compuesta” c) Ingresar los datos geométricos fijando dos secciones de interés aguas arriba, aguas abajo, con las siguientes características.  Fondo de piedra acomodada en mortero y lateral de mampostería de piedra partida cementada.  Fondo de piedra cortada y acomodad con laterales de piedra cortada y acomodada.  Fondo pastos cortos, lateral izquierda de grava, canto rodado y lateral derecha de arbustos escasos, muchos pastos.

g) Genere el perfil del canal compuesto uniforme y permanente. h) Modele el movimiento que tendrá el flujo en el canal compuesto (flujo permanente) i) Verifique cada uno de los gráficos y tablas que ha generado el modelo. • Fondo de piedra acomodada en mortero y lateral de mampostería de piedra partida cementada

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Cuadro resumen (Tabla Completa en Anexo 4)



Fondo de piedra cortada y acomoda con laterales de piedra cortada y acomodada.

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Cuadro resumen (Tabla Completa en Anexo 5)

• Fondo pastos cortos, lateral izquierda de grava, canto rodado y lateral derecha de Arbustos escasos, muchos pastos.

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Cuadro resumen (Tabla Completa en Anexo 6)

6. Reporte a) Determinar “n” compuesto de cada sección transversal n1, n2, … y ni. Fondo de piedra acomodada en mortero y lateral de mampostería de piedra partida cementada



Q (lt/s) =

40

b (cm) = n

40

n3/2

np

0.0216

P

Pn3/2

1

0.025

0.00395285

0.24

0.00098821

2

0.017

0.00221653

0.40

0.00088661

3

0.025

0.00395285

0.24

0.00098821

0.9

0.00286304

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Fondo de piedra cortada y acomoda con laterales de piedra cortada y acomodada.



Q (lt/s) =

40

b (cm) = n

40

n3/2

np

0.0148

P

Pn3/2

1

0.015

0.00183712

0.24

0.00044090

2

0.015

0.00183712

0.40

0.00073485

3

0.015

0.00183712

0.24

0.00044090

0.9

0.00161665

Fondo pastos cortos, lateral izquierda de grava, canto rodado y lateral derecha de Arbustos escasos, muchos pastos.



Q (lt/s) =

40

b (cm) = n

40

n3/2

np

0.0381

P

Pn3/2

1

0.040

0.008

0.24

0.00192

2

0.030

0.00519615

0.40

0.00207846

3

0.050

0.01118034

0.24

0.00268328

0.9

0.00668174

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b) Calcular el gasto con el n compuesto ponderado.

Prueba #

So

A (m2) (b × y)

y (m)

P (m) (b + 2y)

RH (m) (A / P)

Q (m3/s)

1

0.0010 0.24

0.40 × 0.24 = 0.1 0.40 + 2 × 0.24 = 0.88

0.1 / 0.88 = 0.11 (0.1 × 0.112/3 × (0.0010)1/2) / 0.0216 = 0.0336

2

0.0010 0.21 0.40 × 0.21 = 0.08 0.40 + 2 × 0.21 = 0.82

0.08 / 0.82 = 0.1 (0.08 × 0.12/3 × (0.0010)1/2) / 0.0148 = 0.0368

3

0.0010 0.21 0.40 × 0.21 = 0.08 0.40 + 2 × 0.21 = 0.82

0.08 / 0.82 = 0.1 (0.08 × 0.12/3 × (0.0010)1/2) / 0.0381= 0.0143

c) Comparar el gasto calculado con el gasto encontrado en el primer experimento. EXPERIMENTO 1

EXPERIMENTO 2 0.0336

GASTO (m3/s)

0.4

0.0368 0.0143

El gasto calculado en el experimento 2 para las distintas rugosidades que se experimento es bastante cercano al del experimento 1, a excepción del último experimento con las rugosidades (0.040, 0.030 y 0.050) dado que estas son muy distintas en todos sus partes.

d) Calcular el tirante para cada tramo.

Prueba #

So

y (m)

1

0.0010

0.24

2

0.0010

0.21

3

0.0010

0.21

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e) Comparar con el encontrado con el primer experimento. EXPERIMENTO 1

EXPERIMENTO 2 0.24

Tirante (m)

0.20

0.21 0.21

Los tirantes del experimento 2 se aproximan al del experimento 1, existiendo una ligera diferencia dado que las rugosidades están variando.

7. Conclusiones   

Se determinó que se puede emplear un “n” promedio y equivalente para un canal que está diseñado con distintos materiales. El complemento del programa y las formulas fueron esenciales para determinar los valores del gasto del canal y de los valores de rugosidad. Cuando el diseño del canal está compuesto por distintos materiales se genera un coeficiente de Manning y un tirante...