MECANICA DE FLUIDOS II
RESALTO HIDRAULICO
Ing. Zelada Zamora, Wilmer Moisés
INTEGANTES! o o o
"ére# $ino%osa, &ean Sala#ar A'ellaneda, Le(la. Seminario M)nda*a, Esmir.
INDICE
1. INTRODUCCION...................................................................................................... 2. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO.................................................................................. ...... 3. FUNDAMENTO TEÓRICO........................................................................................ ...... +.. ESALTO ESALTO $IDAULICO EN CANALES ECTANGULAES....... ECTANGULAES................ .............. ........... ...... +.-. ESALTO ESALTO $IDAULICO EN CANALES INCLINADOS............................... INCLINADOS..................... ................ ...... +.+. TI"OS DE SALTO $IDULICO....................................................................... $IDULICO....................................................................... +./. CONTOL......................................................................................................... ...... +.0. A"LICACIONES.............................................................................................. .... +.1. CAACTE2STICAS....................................................................................... .... +.3. LONGITUD DEL ESALTO!............................................................................ ESALTO!............................................................................
4. PRÁCTICAS DE LABORATO LABORATORIO.................................................................. RIO...................................................................... ........ .... /.. "CTICA N4 ! ESTUDIO DEL SALTO SALTO $IDULICO EN CANALES...... CANALES..... ..... /...O5&ETI6O!.............................................................................................. /...O5&ETI6O!.................................................................................................. .... /..-."OCEDIMIENTO....................................................................................... ....
5. RESULTADOS........................................................................................................ 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES......................................................... .... 1.. CONCLUSIONES............................................................................................ ....
7. BIBLIOGRAFIA.......................................................................................................
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1. INTRODUCCION
El presente trabajo consiste en visualizar los tipos de resalto hidrulico ! la aplicaci"n de lo aprendido en clase# El objetivo es $ostrar a trav%s de pruebas e&peri$entales co$o se puede $edir el resalto hidrulico' te"rico ! prctico# (ero el paso inverso de r%)i$en rpido al lento se produce de *or$a brusca' co$+n a *uerte disipaci"n de ener),a' -ue se $ani.esta por un conjunto de re$olinos' previos a la elevaci"n del calado correspondiente al r%)i$en lento# Este e*ecto se conoce co$o Resalto hidrulico# (ara la obtenci"n de los calados conju)ados ! / 0rpido1 e ! 2 0lento1 en este proceso' se aplica la ecuaci"n de la conservaci"n de la cantidad de $ovi$iento# En esta prctica se utilizaran' nuevos instru$entos para poder aprender a identi.car el tipo de 3ujo en un canal co$o ta$bi%n poder hallar el tirante dentro de un salto hidrulico cada vez -ue se hace una inclinaci"n del e-uipo -ue representar a un canal' se utilizar ta$bi%n un cron"$etro
! hacer o inclinar el e-uipo a una altura
deter$inada' se tendr -ue tener su$o cuidado al usar los e-uipos en laboratorio para no da4arlos de nin)una $anera# Aprendere$os nuevos conoci$ientos ! caracter,sticas de los canales' co$o act+an *rente a la realidad ante las circunstancias de la naturaleza' ha! -ue darle $ucho inter%s a esta prctica !a -ue nos servir co$o *uturos in)enieros
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2. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO 5
CANAL RECTANGULAR
DESCRIPCIÓN La unidad consta de un canal inclinable montado en una placa base, justo con un tanque de descarga y bomba de recirculacin! para comen"ar una demostracin , se colocara arena de #orma $omog%nea a lo largo del lec$o del canal, entre el tanque de entrada y la represa de descarga de paso superior! Se $ace circular agua por el sistema uno de los tres caudales seleccionados! La inclinacin de canal se ajusta mediante un tornillo de ele&acin de ajuste #ino al cual esta acoplada un indicador preciso de inclinacin! 5
COMPUERTAS
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5
CINTA METRICA
5
LIMNIMETRO
5
GRUPO
DE
ALIMENTACIÓN
HIDRÁULICA BÁSICO (FME00/B).
CAUDALIMETR
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3. FUNDAMENTO TEÓRICO
El resalto $idr'ulico es una sobre ele&acin de la super#icie liquida, el cual se presenta al pasar de una pro#undidad menor a mayor, a la cual se le llama pro#undidad cr(tica o energ(a m(nima! El resalto $idr'ulico ocurre cuando se pasa de un #lujo r'pido a uno tranquilo es decir pasa de un tirante menor al cr(tico mayor! )ambi%n decimos que el salto $idr'ulico es un #enmeno que se presenta e*clusi&amente en canales, cuando un #lujo de agua que &iaja a r%gimen supercr(tico, c$oca o alcan"a a una masa de agua que #luye en r%gimen subcr(tico+ present'ndose abruptamente el cambio de r%gimen, acompaado de una gran turbulencia, disipando energ(a y reali"ando una inclusin de aire en la masa l(quida! Para que el salto $idr'ulico realmente se produ"ca, es necesario que los dos tirantes conjugados que lo acompaan -menor y mayor., sean di#erentes del cr(tico!
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3.1. RESALTO HIDRAULICO EN CANALES RECTANGULARES
Para un #lujo supercr(tico en un canal rectangular $ori"ontal, la energ(a del #lujo se disipa a tra&%s de la resistencia #riccional a lo largo del canal, dando como resultado un descenso en la &elocidad y un incremento en la pro#undidad en la direccin del #lujo! /n resalto $idr'ulico se #ormara en el canal si el n0mero de 1roude -12. del #lujo, la pro#undidad del #lujo -32. y la pro#undidad -34. aguas abajo satis#acen la ecuacin5 Y 1 Y 2
1
[ √ 1 + 8 F −1 ]
= ∗ 2
2
1
3.2. RESALTO HIDRAULICO EN CANALES INCLINADOS
En el an'lisis de resaltos $idr'ulicos en canales pendientes o con pendientes apreciables, es esencial considerar el peso del agua dentro del resalto, por esta ra"n no pueden emplearse las ecuaciones de momentum, ya que en canales $ori"ontales el e#ecto de este peso es insigni#icante! Sin embargo puede emplearse una e*presin an'loga a la ecuacin utili"ando el principio de momentum que contendr' una #uncin emp(rica que debe determinarse e*perimentalmente!
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3.3. TIPOS DE SALTO HIDRÁULICO
Los saltos $idr'ulicos se pueden clasi#icar, de acuerdo con el /!S! 6ureau o# Reclamation, de la siguiente #orma, en #uncin del n0mero de 1roude del #lujo aguas arriba del salto -los l(mites indicados no marcan cortes n(tidos, sino que se sobrelapan en una cierta e*tensin dependiendo de las condiciones locales.5 •
Para F1 = 1.0 5 el #lujo es cr(tico, y de aqu( no se #orma ning0n salto!
•
Para F1 > 1.0 y < 1. 5 la super#icie del agua muestra ondulaciones, y el salto es llamado !"#$% %&'#"!
•
Para F1 > 1. y < *.+ 5 tenemos un !"#$% ',-#! Este se caracteri"a por la #ormacin de pequeos rollos a lo largo del salto, la super#icie aguas abajo del salto es lisa! La p%rdida de energ(a es baja!
•
Para F1 > *.+ y < .+5 se produce un !"#$% %!#"&$! Se produce un c$orro oscilante entrando al salto del #ondo a la super#icie una y otra &e" sin periodicidad! Cada oscilacin produce una gran onda de per(odo irregular, la cual com0nmente puede &iajar por &arios 7ilmetros causando daos aguas abajo en bancos de tierra y m'rgenes!
•
Para F1 > .+ y < 2.0 5 se produce un salto llamado !"#$% 34"&&$5 la e*tremidad aguas abajo del rollo de la super#icie y el
punto en el cual el c$orro de alta &elocidad tiende a dejar el #lujo ocurre pr'cticamente en la misma seccin &ertical! La accin y posicin de este salto son menos sensibles a la &ariacin en la pro#undidad aguas abajo! El salto est' bien balanceado y el
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rndimiento en la disipacin de energ(a es el mejor, &ariando entre el 89 y el :;
Para F1 = 2.0 % 4"y%5 se produce el llamado !"#$% 5$5 el c$orro de alta &elocidad agarra golpes intermitentes de agua rodando $acia abajo, generando ondas aguas abajo, y puede pre&alecer una super#icie 'spera! La e#ecti&idad del salto puede llegar al =9
Est' m's e*plicado en el cuadro siguiente5
3.4. CONTROL
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El resalto $idr'ulico puede controlarse o a#ectarse por medio de obst'culos de di#erentes diseos como &ertederos de cresta delgada, de cresta anc$a y subida y descensos abruptos en el #ondo del canal! La #uncin del obst'culo es asegurar la #ormacin del resalto y controlar su posicin en todas las condiciones probables de operacin! >arios e*perimentos $an demostrado que las #uer"as que act0an sobre un obst'culo en un resalto disminuyen r'pidamente $asta un m(nimo a medida que el e*tremo de aguas abajo del resalto se mue&e $acia aguas arriba $asta una posicin encima del obst'culo! De a$( en adelante la #uer"a se incrementa con lentitud $asta un &alor constante a medida que el resalto se aleja m's $acia aguas arriba! En teor(a, el control del resalto $idr'ulico mediante obst'culos puede anali"arse utili"ando la teor(a del momentum! Debido a la #alta de conocimiento preciso sobre la distribucin de &elocidades, el an'lisis terico no puede predecir el resultado cuantitati&o con e*actitud! El control de resaltos mediante obst'culos es 0til si la pro#undidad de aguas abajo es menor que la pro#undidad siguiente para un resalto normal, pero si la primera es mayor que la segunda debe utili"arse una ca(da en el piso del canal para asegurar un resalto! Por lo general esta condicin ocurre a la salida de una e*pansin con #lujo supercr(tico!
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3.5. APLICACIONES
En el campo del #lujo en canales abiertos el salto $idr'ulico suele tener muc$as aplicaciones entre las que est'n5
La disipacin de energ(a en #lujos sobre diques, &ertederos, presas y otras estructuras $idr'ulicas y pre&enir de esta manera
la soca&acin aguas debajo de las estructuras! El mantenimiento de altos ni&eles de aguas en canales que se
utili"an para propsitos de distribucin de agua! Incrementos del gasto descargado por una compuerta desli"ante al rec$a"ar el retroceso del agua contra la compuerta, esto
aumenta la carga e#ecti&a y con ella la descarga! La reduccin de la ele&ada presin bajo las estructuras mediante la ele&acin del tirante del agua sobre la guarnicin de de#ensa de
la estructura! La me"cla de sustancias qu(micas usadas para la puri#icacin o
tratamiento de agua! La aireacin de #lujos y el desclorinado en el tratamiento de agua! La remocin de bolsas de aire con #lujo de canales abiertos en
canales circulares! La identi#icacin de condiciones especiales de #lujo con el #in de
medir la ra"n e#ecti&idad?costo del #lujo! Recuperar altura o aumentar el ni&el del agua en el lado de aguas
debajo de una canaleta de medicin y mantener un ni&el alto del agua en el canal de irrigacin o de cualquier estructura para distribucin de aguas!
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3.6. CARACTERSTICAS
@lgunas de las caracter(sticas del resalto $idr'ulico en canales rectangulares $ori"ontales son5 A Perdida de energ(a5 en el resalto la p%rdida de la energ(a es igual a la di#erencia de las energ(as especi#icas antes y despu%s del resalto! Puede demostrarse que la p%rdida es5 DE B E2 E4 B -34 32. -8 3234. DE E25 p%rdida relati&a! A E#iciencia5 la relacin entre la energ(a especi#ica antes y despu%s del resalto se de#ine como la e#iciencia del resalto! Puede demostrarse que la e#iciencia es E2E4 B --= 124 F 2.4 8124 F 2.-= 124 -4 F 124.. 15 numero de 1roude! A @ltura del resalto5 la di#erencia entre las pro#undidades antes y despu%s del resalto es la altura del resalto -$j B34 32.@l e*presar cada termino como la relacin con respecto a la energ(a especi#ica inicial $jE2 B 34E2 32E2 Gj E25 altura relati&a! 32 E25 pro#undidad inicial relati&a! 34 E25 pro#undidad secuente relati&a!
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3.7. LONGITUD DEL RESALTO!
/n par'metro importante en el diseo de obras $idr'ulicas es la longitud del resalto, que de#inir' la necesidad de incorporar obras complementarias para reducir esta longitud yo aplicar medidas de proteccin de la super#icie para incrementar su resistencia a los es#uer"os cortantes! Los resultados de pruebas e*perimentales, reali"adas en H canales de laboratorio, por el 6ureau o# Reclamation, en donde se relaciona L34 &s 1R2! Sil&erster -2H8. propone una ecuacin emp(rica para el c'lculo de la longitud del resalto en canales rectangulares y lec$os $ori"ontales relacionada a continuacin5 (
L=9.75∗Y 1 F 1−1
)
1.01
Jtras ecuaciones son5 (
L=6 Y 2 −Y 1
) (
L=2.5 1.9 Y 2−Y 1
) K! Pa&los7y -224.
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4. PRÁCTICAS DE LABORATORIO 4.1. PRÁCTICA N" 1! ESTUDIO DEL SALTO HIDRÁULICO EN CANALES. 4.1.1.
O#$%&'()!
•
De Estudiar el comportamiento de un resalto $idr'ulico
•
mediante el uso de un canal rectangular! >eri#icar la &alide" de las ecuaciones que describen el
• • •
4.1.2.
comportamiento del #lujo aplicando los principios de energ(a Comprobar que en un resalto $idr'ulico E2E4 Calcular cada tirante conjugados en cada salto $idr'ulico Semejar gr'#icos relacionas entre lo terico y lo real! P*)+%,'-'%&)
•
Encender la motobomba @brir la &'l&ula para permitir el #lujo sobre el canal! El caudal
•
se $allara con el caudal(metro la cual ya est' graduado en lt$! Se baj la compuerta de entrada para poder as( generar el
•
resalto $idr'ulico! Medimos la pendiente con la inc$a, sacando como datos dos
•
alturas del desde el comien"o del canal $asta el piso y tambi%n •
medimos una porcin del largo del canal! Medimos el anc$o del canal con la cinta m%trica, lo que nos permiti con todos los datos anteriores $allar el &alor de On
• •
rugosidad! Procedimos a medir la longitud del resalto! Registrar los datos correspondientes a 32, 34, para cada caudal a salir!
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5. RESULTADOS
Del e&peri$ento anterior se obtuvo -ue n 6 7#789
•
b = 7#7:;9 T 7#7:;9 = S 7#72/; = 2= PRUEB A
Q y1 (mm) (lt/h)
$ $
y2 (mm)
L (cm)
S%
1
1!!
"#1
$!#"
"!
!
2
$!!
11#"
71#"
$!
$#12
$
$2!!
11
&!#
2!
$#12
2!!
11#"
#&
1&
$#12
"
$!!
11#"
&"#&
22
$#12
TIRANTES C'NUAD'S* I#
ENC'NTRAND' +,2- A PARTIR DE +,1-#
PRUE BA
Q y1 (m) (m$/.)
!#!!!$ !#!!1! 2 ""& !#!!! $ !#!!!7 1
!#!!" 1 !#!11 "
A1 (m2)
!#!!! $2 !#!!! 72 !#!!! !#!11 71! !#!11 !#!!!
1 (m/.) 1#122 1$ 1#2$! &1 1#2"2 $ 1#!"
01 y2 (03 (t56c 45) ) "#2 !#!$& #2 !#!&$ $#1 !#!" $#12 !#!"
17
77 "
"
!#!!!
72
!#!11 "
y2 (m) L8b8t6
y2 (t56c)
!#!$!" !#!71" !#!&! !#!& !#!&"&
!#!$& !#!&$ !#!" !#!" !#!"&
II#
71
!#!!! 1#27$2 72 &"
$#7 !#!"&
01 (0345)
ENC'NTRAND'
"#2
R593l8
#2
R593l8
$#1
R593l8
$#12
R593l8
$#7
R593l8
+,1- A PARTIR DE +,2-#
PRUE BA 1 2 $ "
Q (m$/.)
!#!!!$ !#!!1! ""& !#!!! !#!!!7 77 !#!!!
y2 (m)
A2 (m2)
!#!!1 &7 !#!! !#!71" &12 !#!!$ !#!&! & !#!!$ !#!& 1$" !#!! !#!&"& 2$1 !#!$!"
2 (m/.) !#17& 1 !#22 !#221 && !#21 1 !#22$2 1!
02 (034 5) !#$& !#27 !#$! !#$& !#2
,1 (t56c ) ' ( U L 0 ' C I T I R C B U S
!#!!7 !#!! !#!! !#!1! !#!!
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y1 (m) ,1 L8b8t (t56c 6 ) !#!!"1 !#!!7 !#!11" !#!! !#!11 !#!! !#!11" !#!1! !#!11" !#!! •
>ARIACIO? DE LA E?ER@IA E? CADA CASO 7 8m+9s: ;.;;;+<<<<
( 8m: ;.;;0
(- 8m: ;.;+;0
=
7 8m+9s: ;.;;;00001
( 8m: ;.;0
(- 8m: ;.;30
17
7 8m+9s:
( 8m:
(- 8m:
;.;;;<<<<<=
;.;
;.;1;/
7 8m+9s:
( 8m:
(- 8m:
;.;;;33333<
;.;0
;.;/<1
17
7 8m+9s: ;.;;;=/////
( 8m: ;.;0
(- 8m: ;.;101
17
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 6.1. C)+/0')%
Al en*on>rar los >iran>es *on%)gados se o?ser'o @)e *al*)lando )no a ar>ir del o>ro, se aroBimaron a los >iran>es medidos en la?ora>orio.
y1 (m) L8b8t6
,1 (t56c)
!#!!"1 !#!!7 !#!11" y2 (m) !#!! L8b8t6 y2 !#!11 !#!! (t56c) !#!11" !#!1! !#!11" !#!! !#!$!" !#!$& !#!71"
!#!&$
!#!&!
!#!"
!#!&
!#!"
!#!&"&
!#!"&
Se *omro? @)e >io de l)%o aare*e ag)as arri?a del sal>o
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idr)li*o 8l)%o s)er*r>i*o: ( ag)as a?a%o del sal>o idr)li*o 8l)%o s)?*ri>i*o: Se *omro? la 'aria*in de energa @)e se ierde en *ada *aso ara *ada sal>o idr)li*o.
7. BIBLIOGRAFIA o
o
o
o
httpBBes#scribd#co$BdocB/27:<8=98Bhidraulicadetuberiasjuan saldarria)a httpBB#edibon#co$BproductsBcatalo)uesBesBunitsB3uid$echanicsa erod!na$icsB3uid$echanicsbasicBLILUFA#pd* httpBB#edibon#co$BproductsBcatalo)uesBesBSUGGARIEDCATALO @UE;#pd* httpBB#unioviedo#esBAreasBGecanica#luidosBdocenciaBasi)natura sB$ecanicade3uidos$inasBlp9#pd*
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