UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADA Laboratorio de Hidráulica II
RESALTO HIDRÁULICO Informe de laboratorio flujo uniforme Alexander Melo, Oscar Cárdenas; Oscar de la Cruz, Diego Hernández u111!"#$unimilitar%edu%co; u111&"!$unimilitar%edu%co u111&"!$unimilitar%edu%co 'esumen El siguiente informe tiene como objeto primordial el experimental la generación de un salto hidráulico en mantienen una sección transversal constante, el flujo dicha sección cumple con las condiciones ideales de un
determinar de manera canales abiertos que transportado transportado mediante flujo uniforme.
Se proc proced ede e a real realiz izar ar el mont montaj aje, e, toma tomand ndo o las las lect lectur uras as del del nive nivel l del del verted vertedero ero (v!, (v!, profun profundid didade ades s del nivel nivel de agua agua antes antes del salto salto ("#! ("#! $ desp despu% u%s s del del salt salto o ("&! ("&!, , dist distan anci cia a entr entre e piez piezóm ómet etro ros, s, toma tomand ndo o como como referencia principal las diferentes magnitudes magnitudes de apertura de la compuerta, para que de esta manera junto con el cálculo del n'mero de roude (! sea posible caracterizar en u gran variedad aspectos del salto hidráulico. )e el valor teórico $ experimental se obtuvo un error aproximado para *# de #+,- , para *& de /+,/0 , para */ de #,1 , $ para *2 de de -,+. inalmen inalmente te los valores valores del n'mero n'mero de mues muestr tran an que que el salt salto o se clas clasif ific ica a diferentes aperturas de la compuerta.
roude roude anterior anteriorment mente e referenc referenciado iados s como como un salt salto o esta establ ble e para para las las
(alabras cla)es
Coefic Coeficien iente te de Mannin Manning, g, coefic coeficien iente te de Chezy Chezy,, numer numero o de Froud Froude, e, profun profundid didad ad crítica. Introducci*n
El fenó fenóme meno no del del salt salto o hidr hidráu áulic lico o se genera por un ascenso brusco del nivel del agua ue ocurre rre en un canal abierto, esto se da como consecuencia de un retardo ue sufre una corriente de agua agua ue ue fluy fluye e a una una veloc elocid idad ad elevada y pasa a una zona de ba!a velo veloci cida dad. d. Este Este fenó fenóme meno no es muy muy com"n verlo en ríos en donde el flu!o presenta este tipo de variaciones gran parte de su trayecto. Elementos del #raba!o y metodología $ntes ue nada se hay ue tener claro el concepto de %alto hidráulico ue se define como la descarga de un fluido de altas velocidades a zonas de menores velocidades, presentando una ascensión brusca en la superficie del fluido.
Figura &. Esuema básico del resalto hidráulico
El caudal será variado mediante una válvula y una compuerta para ue el laboratorio sea satisfactorio se recomienda mantener el %alto hidr hidráu áulilico co en la cond condic ició ión n de %alt %alto o permanente o estable. 'a compuerta lo ue hace ace es regu egular lar el caud audal de mane manera ra ue ue al dism dismin inui uirr el área área del del flu!o este aumentara su velocidad con el fin fin de mant manten ener er cons conser erva vaci ción ón de flu! flu!o, o, lleg llegan ando do a un punt punto o dond donde e el
1
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RESALTO HIDRÁULICO fluido uiere estar en euilibrio y volver a su estado inicial disminuyendo su velocidad e incrementando su sección transversal. $ntes de comenzar el laboratorio se debe empezar por purgar los piezómetros con el fin ue los resultados obtenidos tanto de línea piezometrica como de energía no varíen, en la línea piezometrica se muestran los datos arro!ados por cada piezómetro colocados en la longitud del canal, y la línea de energía será la suma de la cabeza de velocidad mas la cabeza de presión ue son los mismos datos usados anteriormente( 2
p v L. E = z + + y 2 g
)e acuerdo a la gráfica de la línea piezom*trica puede tener una observación de perfil del cambio en el momento del salto hidráulico para las diferentes aberturas. 'a velocidad fue hallada de acuerdo al caudal +- y este a su vez fue a partir de la ecuación de vertedero( Q =0.0172 ( H ) donde H = Hv − Ho 2
2.34
)espu*s del análisis de las líneas piezometricas y de energía para cada apertura, se debe realizar la comparación del n"mero de Froude de manera analítica y 2 y 1
=
1 2
[−1 +√ 1+ 8 F ]
N . F =
2
1
v
√ gy
esto
con la teórica le
brinda
información respecto al Froude sobre u* pasa cuando la lámina de agua se acerca al punto de salto hidráulico, este fenómeno presenta un estado de euilibrio en fuerzas, dando lugar a un cambio agresivo del r*gimen de flu!o, de supercrítico a subcrítico, siento esto un punto de gran disipación de energía cin*tica, mientras esto pasa en un
determinado tiempo el flu!o a perdido energía formulada como(
[
∆ E = y 1 +
V 1
2
2g
][
− y + 2
V 2
2
2g
]
a ue el flu!o contin"e si circulación es necesario ue conozca un punto de partida en el ue asegure ue la energía va a ser suficiente para ue el salto hidráulico suceda y esto va en función de la profundidad del flu!o, me!or e/presión seria una profundidad critica 0c. 'a fuerza especifica se entiende como 1'a impulsión motivada por las fuerzas e/teriores de un sistema mecánico, es igual al aumento o disminución de la cantidad de movimiento habido en la masa móvil del sistema2 34)567'4C$ $5$ 489E84E5:%, French 2
Q French = ỹ A + gA .
Es decir ue la
fuerza permanece constante ya ue e/iste un proporcionalidad entre las variables asociadas a la ecuación de cálculo de dicha fuerza con lo cual sin importar el valor de la altura de la lámina de agua o de la velocidad del flu!o en el antes o despu*s del salto dicha proporcionalidad da estabilidad a la fuerza especifica de fluido 5esultados 'os datos consignados en la #abla 8;& corresponden a los datos e/perimentales tomado en el laboratorio, en donde se tomaron datos de alturas piezometricas para diferentes aperturas de canales. $dicionalmente en la #abla 8;& tambi*n se encuentra ane/ado los valores e/perimentales correspondientes al n"mero de Froude en la sección 8"mero &, ue para este informe fue calculado aplicando la siguiente fórmula(
2
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RESALTO HIDRÁULICO y 2
=
y 1
1
[−1 +√ 1+ 8 F ] 2 2
+&-
1
$dicionalmente este dato fue comparado con los valores teóricos de n"mero de Froude para la sección &, aplicando la ecuación básica para calcular dicho dato( V F = +<√ GY
Complementariamente en la tabla 8;& tambi*n se encuentran los datos correspondientes a la p*rdida de energía, calculados aplicando la ecuación +=- y comprobados mediante la ecuación +>-.
[
∆ E = y 1 +
V 1
2
2g
][
− y +
−¿ y
2
2
V 2
2
2g
]
+=-
1
y ¿
¿ ¿ 3 +>¿ ¿ ∆ E =¿
$dicionalmente en la tabla se encuentran los datos calculados correspondientes a la velocidad, y a la cabeza de velocidad.
#abla 8;& ? )atos empíricos tomados en el laboratorio.
'a grafica 8; & corresponde a la línea piezometrica, cuyos datos asignados en ella fueron obtenidos en el laboratorio y consignados en la tabla anterior +En la grafica los datos fueron ingresados en metros-.
9rafica 8;& ? 'ínea iezometrica de los datos empíricos. La grafica N° 2 corresponde a la línea energía, cuyos datos asignados en ella fueron calculados sumando la el valor de la lectura inicial en metros más el valor de de la velocidad en m2 /s.
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RESALTO HIDRÁULICO 'os resultados fueron consignados en la #abla 8;>.
#abla 8;> @ A de error en la perdida de energía del salto hidráulico.
9rafica 8;< ? 'ínea de Energía de los datos e/perimentales.
Conte/tualizando con mayor de detalle los cálculos de n"mero de Froude de la sección & se procedió a comparar los valores obtenidos de la ecuación +&ue corresponde a la ecuación e/perimental con la ecuación +<- ue corresponde a la ecuación teórica. Mediante las ecuaciones anteriormente nombradas se obtuvieron los siguientes resultados consignados en la #abla 8;<.
$ continuación se calculo la longitud ue tenía el salto hidráulico usando las alturas antes y despu*s de *l y reemplazándolas en la siguiente ecuación, los resultados obtenidos fueron consignados en la #abla 8;B. 1
y 2− y ¿ ∆ X =5 ¿
+!
#abla 8;B ? 'ongitud del %alto 3idráulico
Finalmente se procedió a graficar con los datos consignados en la #abla 8;&,
#abla 8;< ? Calculo del numero de Froude teórico y empírico.
osteriormente se procedió a calcular la perdida de energía ue se dio en el salto hidráulico para las diferentes aperturas de compuerta, para ello se procedió a calcular con la ecuación +=dicho dato, los resultado obtenidos fueron consignado en la #abla 8;=.
Grafica N°3 !urva de "nergía especifica #$rofundidad #m% &s. "nergia especifica #m%%
#abla 8;= @ erdida de energía en el salto hidráulico.
%eguidamente se procedió a comprobar la veracidad de los datos anteriormente calculados mediante la aplicación de la ecuación +>-, y se procedió a calcular un error e/perimental entre los datos obtenidos.
Grafica N°' !urva de (uer)a especifica #$rofundidad #m% &s. (uer)a especifica #m%%
'
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RESALTO HIDRÁULICO Análisis resultados
$nálisis de 5esultados asados en los resultados obtenidos en el presente artículo denominado %alto 3idráulico, se analizó lo siguiente( $ medida ue la lámina de agua se acerca al punto de salto hidráulico la velocidad y relación con respecto al Froude es menor El numero de Froude permite calificar el r*gimen de flu!o, de acuerdo a la ecuación analítica del numero de Froude y la ecuación teórica se obtienen resultados con gran diferencia entre sí pero en los dos el flu!o se mantiene en el mismo r*gimen En la perdida de energía una es calculada por medio de la velocidad de flu!o y otra en función de la profundidad es posible ue por esto se hayan obtenido resultados alrededor del D A al A.
las características específicas ue debe tener un salto hidráulico y como estos pueden variar seg"n la apertura de una compuerta, o seg"n el trayecto del mismo flu!o a trav*s del canal abierto.
•
•
•
Conclusión asados en los resultados anteriormente obtenidos, y referenciados en el presente artículo podemos concluir lo siguienteG se logro determinar ba!o una observación clara y una confirmación mediante los cálculos realizados ue la gran mayoría de los canales pueden presentar saltos hidráulicos ue son generados por cambios drásticos en las velocidades en el trayecto del flu!o a trav*s de dicho canal. $dicionalmente los valores de las alturas piezometricas muestran con claridad en u* momento se presenta el salto hidráulico, y la línea de energía detalla de manera concisa ue energía puede ganar antes o despu*s del trayecto ue realiza el flu!o a trav*s del canal. Finalmente la metodología usada en el presente laboratorio permite obtener
$l comparar los resultados obtenidos del n"mero de Froude con los presentados en la tabla once se puede afirmar ue en la práctica de laboratorio de formó un resalto oscilante. Cada oscilación de este resalto produce una gran onda de período irregular, la cual com"nmente puede via!ar por varios Hilómetros causando daIos aguas aba!o en bancos de tierra y márgenes. J En el gráfico de energía específica se observa como la energía disminuye a medida ue aumenta la profundidad del flu!o despu*s de ue *sta ha pasado la profundidad críticaG observando en dirección del flu!o este comportamiento es al rev*s, es decir ue a medida ue la profundidad aumenta la energía disminuye despu*s de haber pasado la altura crítica. En el cálculo de energía y fuerza especifica se hace de gran utilidad usar valores arbitrarios de 0, para observar el comportamiento del flu!o a trav*s del resalto, lo cual en la práctica puede proporcionar un valor de estos parámetros para el flu!o a una profundidad determinada. 'os errores en la comparación de los valores teóricos con los e/perimentales se pudieron ver influenciados por la poca precisión en la toma de datos por la inestabilidad del resalte en algunos casos.
'eferencias
http(KKes.LiHipedia.orgKLiHiK%altohidr AC=A$&ulico
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RESALTO HIDRÁULICO 3idráulica de los canales abiertos. Nen #e ChoL. &O<. 4%8 OD@&=@&=
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Flujo uniforme
