PRACTICA RESALTO HIDRÁULICO “
”
POR: Álvaro quintero Kenny zambrano Ronald Villareal Rodrigo fragoso
PRESENTADO A: ING. GERALD MESTRA R
UNIVERSIDAD DE LA COSTA - CUC FACULTAD DE INGENIERÍA LABORATORIO DE MECÁNICA MECÁNICA DE HIDRÁULICA BARRANQUILLA, ATLÁNTICO 1/ 11/17
1.
Introducción. ............................................................................................................................... 3
2.
Objetivos. .................................................................................................................................... 3
Objetivo general: ..................................................................................................................... 3
Objetivos específicos: .............................................................................................................. 3
3.
Marco teórico. ............................................................................................................................. 4
RESALTO HIDRÁULICO ........................................................................................................ 4
4.
Procedimientos. ........................................................................................................................ 11
5.
Datos experimentales. .............................................................................................................. 12
6.
Datos y Resultados. ................................................................................................................... 12
7.
Discusión y análisis. ................................................................................................................... 15
8.
Conclusiones.............................................................................................................................. 17
9.
Bibliografía. ............................................................................................................................... 18
El presente informe consiste en visualizar los tipos de resalto hidráulico y la aplicación de lo aprendido en clase, el objetivo de esta experiencia fue mostrar a través de pruebas experimentales como se puede medir el resalto hidráulico, el teórico y el práctico. Pero el paso inverso de régimen rápido al lento se produce de forma brusca, con una fuerte disipación de energía, que se manifiesta por un conjunto de remolinos, previos a la elevación del calado correspondiente al régimen lento. Este efecto se conoce como resalto hidráulico. Para la obtención de los calados conjugados (rápido) e (lento) en este proceso, se aplica la ecuación de la conservación de la cantidad de movimiento, con este informe se descubrirá qué clase de resalto hidráulico se presentó en la toma de medidas de la experiencia y la longitud del resalto.
Conocer y comprender el fenómeno local ocasionado por el cambio de una profundidad baja a una alta de manera rápida.
Conocer las razones por las que ocurre resalto hidráulico Identificar los tipos de resalto Conocer las características básicas del resalto hidráulico Investigar las distintas aplicaciones del resalto en estructuras hidráulicas Saber las distintas formas de localización del resalto hidráulico.
RESALTO HIDRÁULICO
En los canales abiertos ocurren muchos cambios en el estado de flujo que dan lugar a que se formen distintos fenómenos locales y se caracterizan principalmente porque el cambio ocurre rápidamente en una distancia corta. Esos fenómenos locales más frecuentes son conocidos como caída hidráulica y resalto hidráulico. El primero es causado cuando se cambia de una profundidad alta a una más baja y resultara de una depresión abrupta de la superficie de agua, mientras que el resa lto hidráulico es ocasionado por un cambio rápido en la profundidad baja a una alta, generando una subida abrupta de la superficie de agua, además que El flujo pasa de ser supercrítico o rápido a uno subcritico o tranquilo; este último fenómeno es objeto de estudio en este caso. El resalto hidráulico ocurre con frecuencia en canales por debajo de una compuerta deslizante de regulación, aguas abajo de un vertedero o cuando un canal con pendiente alta se torna horizontalmente de manera súb ita. El objetivo del resalto es disipar el exceso de energía en un flujo supercrítico y poder prevenir la posible erosión aguas debajo de vertederos de rebose debido a que reduce rápidamente la velocidad del flujo sobre un piso protegido hasta un punto donde el flujo pierde su capacidad de socavar el lecho del canal natural aguas abajo.
Ilustración 1. bajado de Ven Te Chow. Hidráulica de canales abiertos, ed McGRAW-HILL
La Fuerza Específica es la misma antes del salto y después del salto. Por lo tanto son tirantes conjugados. La energía específica disminuye de .
RESALTO HIDRÁULICO EN UN CANAL RECTANGULAR
Se parte de la ecuación siguiente:
= 1 + 2 Se divide ambos miembros por , y luego de algunas sustituciones se llega a = 1 1+ 2 De donde, = 12 1+ ( ) + 2 = 0
De acá se obtiene una ecuación en
Resolviendo esta ecuación se obtiene
= 1 1 +8 1 2
Que es la ecuación de un resalto hidráulico en un canal rectangular. La relación entre los tirantes conjugados es función exclusiva del número de Froude incidente,
=
Este resultado es sumamente importante para los estudios en modelo hidráulico. Basta con tener el mismo número de Froude en el modelo y en el prototipo para que, si es que hay suficiente turbulencia en el modelo, haya similitud. El resalto hidráulico es un movimiento rápidamente variado, con fu erte curvatura de las líneas de corriente. Se caracteriza por la gran disipación de energía. Se puede describir como el paso violento de un régimen supercrítico a uno subcrítico. Este es un fenómeno tridimensional que presenta grandes fluctuaciones de la velocidad y de la presión en cada punto; es decir que tiene un alto grado de turbulencia, lo que se traduce en una alta capacidad de mezcla. En un salto hidráulico se produce también la incorporación de aire a la masa líquida. El resalto produce oleaje, que se propaga hacia aguas abajo.
CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DEL RESALTO
Pérdida de energía en el salto
La pérdida de energía en el salto hidráulico se define así:
ℎ = + 2 + 2
Expresión que aplicada a un canal rectangular da lugar luego de a lgunas pequeñas transformaciones a
Eficiencia
− ∆ = ℎ = = 4
Se denomina eficiencia de un salto hidráulico a la relación entre la energía específica después del salto y la que hay antes de él.
= 8 + 1 4 + 1 8 2+ La pérdida de energía relativa es = ∆ Altura del salto ( )
La altura del salto se define como la diferencia entre los tirantes después y antes del salto Se demuestra fácilmente que
Longitud del salto (L)
ℎ = − 3 ℎ = 1 +8 + 2
La longitud del salto depende de muchos factores (pendiente del canal, número de Froude, etc.). Aproximadamente se tiene que
= 6,9−
En algunos casos para fijar el salto y disminuir su longitud se colocan dados o bloques.
Oleaje
En un salto hidráulico se producen ondas que se propagan hacia aguas abajo. Sus alturas y periodos dependen del número de Froude incid ente. Se designa como a la altura significativa (promedio del tercio superior). Lopardo y Vernet han encontrado que
Para -
= 1 1 6 ≤ 1
LOCALIZACIÓN DEL RESALTO
Como se mencionaba anteriormente, el resalto ocurre en flujos super críticos cuando las profundidades cambian abruptamente a la profundidad secuente y en canal horizontal rectangular tanto las profundidades inicial y secuente como el #F satisfacen la ecuación (1). De esta forma, la localización de un resalto hidráulico se presenta en 3 casos: CASO A RESALTO POR DEBAJO POR DEBAJO DE UNA COMPUERTA EN CANAL CON PENDIENTE SUAVE.
Ilustración 2. Tomado de Ven Te Chow. Hidráulica de canales abiertos, ed McGRAW-HILL
El resalto se forma entre G y F debido a que la profundidad en F es secuente a la profundidad en G y la distancia EF mide la longitud del resalto. En este caso al incrementar la profundidad del agua hacia aguas abajo el resalto puede moverse hacia aguas arriba. La profundidad aguas abajo puede subirse hasta una altura para la cual el resalto se ahogue al frente de la compuerta. Al bajar profundidad aguas abajo (disminuir CD) el resalto se moverá hacia aguas abajo.
CASO B – RESALTO EN CANAL CON QUIEBRE DE PENDIENTE DE FONDO QUE CAMBIA DE EMPINADA A SUAVE
Ilustración 3. Tomado de Ven Te Chow. Hidráulica de canales abiertos, ed McGRAW-HILL
Se supone que el flujo es uniforme a lo largo del canal, con excepción del tramo entre el resalto y el quiebre. El resalto puede ocurrir en el canal empinado o suave, si la profundidad aguas abajo es menor o mayor que la profundidad , secuente a la profundidad aguas arriba . Si la profundidad es mayor que , el resalto ocurrirá en la región empinada y la longitud de este, sería la intersección horizontal IJ
′′
CASO C. RESALTO POR DETRÁS DE UNA BARRERA DE REBOSE
Ilustración 4. Tomado de Ven Te Chow. Hidráulica de canales abiertos, ed McGRAW-HILL
En este caso se forma resalto si la profundidad en la barrera es mayor que la profundidad secuente correspondiente a la profundidad supercrítica de aproximación . La localización es igual a la del caso B si ocurre en la sección empinada. Al aumentar la altura de la barrera, el resalto se moverá aguas arriba y al disminuirla, se moverá aguas abajo.
-
′
TIPOS DE RESALTO
Los resaltos hidráulicos en fondos horizontales, se clasifican en varias clases
Según el número de froude del flujo entrante Tabla 1. .Clasificación de los resaltos hidrá ulicos, según la U.S.B.R.
-
APLICACIONES DEL RESALTO HIDRÁULICO
En la actualidad, dicho fenómeno local es utilizado en muchas aplicaciones para:
-
Disipar la energía que fluye sobre presas, vertederos y demás estructuras hidráulicas, Previniendo la socavación aguas abajo de las estructuras Recuperar la altura o aumentar el nivel del agua en el lado de aguas debajo de una canaleta de medición y mantener un nivel alto del agua en canales de irrigación o de cualquier estructura hidráulica para distribución de agua. Aumentar el caudal por debajo de una compuerta deslizante, manteniendo alejada la profundidad de aguas abajo. Indicar condiciones especiales de flujo, tales como la existencia de flujo supercrítico o la presencia de una sección de control y asi poder localizar una estación de aforo. Mezclar químicos utilizados en la purificación de agua y remover bolsas de aire en las líneas de suministro de agua, previniendo taponamientos por aire.
EJEMPLOS DE RESALTO
Para vencer un desnivel se construye una rápida. Al final de ella debe disiparse la energía. El salto hidráulico actúa como un disipador de energía.
Asegurarse que el canal se encuentre en posición horizontal, luego se mide y se registra su ancho (B). Después se fija firmemente la compuerta aproximadamente en la parte media del canal, instalando el borde filoso de ella mirando hacia el lado aguas arriba del flujo. Asegúrese que no existan espacios entre la compuerta y las paredes del canal, en caso tal, se pueden rellenar con plastilina. El nivel de referencia (datum) para la medición de las profundidades de flujo será el fondo del canal.
Primera Parte. Constante, verificar que la altura de la compuerta sea de 1,5 cm con respecto al fondo del canal. Abrir la válvula de variación del caudal hasta obtener Yo = 4,5 cm (nivel de aguas arriba de la compuerta). En este punto y luego que el flujo se estabilice se calcula el caudal Q que se presenta en ese momento; observar que se presenta un resalto hidráulico sobre el canal y medir tanto Y1 (altura antes del resalto) y (altura después del resalto). Medir la L del resalto desde el borde de la canaleta hasta el punto donde se presenta el resalto hidráulico. Se repite el proceso y luego se abre gradualmente la válvula de control de flujo del banco hidráulico hasta obtener Yo =5 cm. En este punto y luego que el flujo se estabilice se mide (altura antes del resalto) Y2, como el caudal Q. Por último se abre gradualmente la válvula de control de flujo del banco hidráulico hasta obtener Yo= 6,5 cm. En este punto y luego que el flujo se estabilice se observa si existe el resalto hidráulico y medir Y1 y y2, como el caudal Q.
Segunda Parte. Constante, S=-0,005 (contra pendiente). Se verifica que la altura de la compuerta sea de 1,5cm con respecto al fondo del canal. Abrir la válvula de variación de caudal hasta obtener Yo= 7 cm (nivel de aguas arribas de la compuerta). En este punto y luego que el flujo se estabilice se calcule el caudal Q que se presenta en ese momento; se nota que se genera un resalto hidráulico sobre el canal y registrar tanto Y1 (altura antes del resalto) y Y2 (altura después del resalto). Medir la L del resalto desde el borde de la canaleta hasta el punto donde se presenta el resalto hidráulico se repite el proceso y abrir gradualmente la válvula de control de flujo del banco hidráulico hasta obtener Yo= 8,2 cm. En este punto y luego que el flujo se estabilice se mide Y1 (altura antes del resalto) y Y2, como el caudal Q.
Tabla 2. Datos calculados durante la experiencia.
Toma 1 2 3 4
-
(m)
0,005 0,005 0,005 0,005
(m)
0,045 0,05 0,065 0,07
/
Q(
)
(m)Tirante antes del salto
(m) Tirante después del salto
L(m)
0,17 0,065 0,07 0,11
0,38 0,36 0,21 0,15
0,33 0,52 0,69 0,5
0,00044431 0,00058411 0,00056159 0,00064823
Área (A)
= ∗
Donde B= 0,075 m
Sustituyendo, para la primera toma se tiene:
1 = 0,075 ∗0,17 = 0,01275 Tabla 3. Resultados de Áreas.
Toma 1 2 3 4
-
( ) 0,01275 0,004875 0,00525 0,00825
( ) 0,0285 0,027 0,01575 0,01125
Velocidad (v) del agua antes y después del salto.
Donde V=
Sustituyendo, para la primera toma se tiene:
/ 0, 0 0044431 = 0,01275 = 0,034848062 /
Tabla 4. Resultados de velocidades.
Toma 1 2 3 4
-
V1 0,034848062 0,119817877 0,106969032 0,078573112
V2 0,01558992 0,02163378 0,03565634 0,05762028
Cálculos de E1 y E2:
= + ∗ = + ∗ Sustituyendo, para la primera toma se tiene: 0, 0 34848062 1 = 0,17+ = 0,170061895
2∗9,81
Tabla 5. Resultados de E1, E2
Toma 1 2 3 4
0,170061895 0,380012388 0,20995049 0,065731719 0,360023854 0,29429214 0,070583199 0,2100648 0,1394816 0,110314665 0,15016922 0,03985455
- Cálculo de F; Número de Froud:
1 1 = 9,81∗1 2 2 = 9,81∗2 Sustituyendo, para la primera toma se tiene:
1 = 0√ ,0934848062 ,81∗0,17 = 0,026984829
Tabla 6. Resultados número de Froude
Toma 1 2 3 4
-
Fr1 0,026984829 0,150048078 0,129084633 0,075638535
Fr2 0,008074538 0,011511892 0,024842349 0,047500179
Calculo de los Y2/Y1 Experimental: Tabla 7. Y2/Y1 Experimental
Y1(m) 0,17 0,065 0,07 0,11
-
Experimental y2(m) Y2/Y1 Exper. 0,38 2,235294118 0,36 5,538461538 0,21 3 0,15 1,363636364
Calculo de los Y2/Y1 Experimental se sigue la fórmula:
+ Y1(m) 0,17 0,065 0,07 0,11
Teórico y2(m) Y2/Y1 Teórico 0,38 0,05133443 0,36 0,24168467 0,21 0,21285992 0,15 0,13346434
a) ¿Cuáles son las fuentes de error de la práctica desarrollada? La práctica de resalto hidráulico presenta múltiples fuentes de error, las más comunes son las mediciones de la alturas Y y Y , estas implican tomarse cuando el flujo está estable y por lo general se toman en el momento es que el flujo se estabiliza. La medida del caudal varía mucho de la graduación de la válvula, por lo que los datos que se toman con un caudal pueden o no pertenecer a este en específico.
₁ ₂
b) ¿Qué diferencia encontró entre los datos del resalto cuando s=0 y s= 0,005? Para los datos de energía a aumentaron con respecto a los debido al aumento en la pendiente.
c) Investigue como se calcula la longitud del resalto L para el caso del canal en laboratorio y determine un valor para dicho cálculo. -
Fórmula de Safranez (alemán) para canales rectangulares. Tabla 8 . Tomado de "Hidráulica II, (Pag 237), McGrawHill”
Tabla 9. Long del resalto en nuestra experiencia .
Y1(m) 0,17 0,065 0,07 0,11
y2(m) 0,38 0,36 0,21 0,15
L 0,052539462 0,460347504 0,52550354 0,223133679
d) Analice los resultados obtenidos para cada procedimiento. Al observar y analizar los resultados tanto teóricos como experimentales, nos damos cuenta de que el #valor de la longitud del resalto práctico no se acercaron mucho al calculado teóricamente. El error producido es muy alto y es debido a diversas causas producidas durante el desarrollo de la práctica, como las dimensiones de la compuerta, el error mínimo causado por la medición de la regla, el caudal y el tipo de flujo en el canal. El número de Froude dieron valores muy bajos, menores que 1, eso quiere decir que la corriente siempre fue subcrítica y no hubo gran cambio de resalto hidráulico; todo esto es dicho basado en clasificación de los resaltos hidráulicos, según la U.S.B.R. pero visualmente durante la experiencia si se logró ver resaltos.
e) Grafique F1 Vs Y1/Y2
F1 VS. Y2/Y1 6
5.538461538
5 1 Y / 2 Y
4 3
3 2.235294118
2
1.363636364
1 0 0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
F1
f) Grafique en la misma imagen F1 VS E2/E1;HJ/E1;Y1/E1;Y2/E
FR1 VS E2/E1;HJ/E1;Y1/E1;Y2/E 6
1 E / 2 Y ; 1 E / 1 Y ; 1 E / J H ; 1 E / 2 E
4
E2/E1
2
Hj/E1 y1/E1
0 0.026984829
0.150048078
0.129084633
FR 1
0.075638535
y2/E1
Al elaborar este tipo de informes, se conoció que el resalto hidráulico es un fenómeno en el que se da un cambio brusco de un régimen rápido a uno lento que ocurre con frecuencia en canales por debajo de una compuerta deslizante de regulación, aguas abajo de un vertedero o cuando un canal con pendiente alta se torna horizontalmente de manera súbita. Se pudo observar que las pérdidas de energía son mayores a medida que la altura del salto es mayor; También se dedujo que la distancia que hay desde la cara frontal del salto hasta un punto inmediato sobre la superficie del flujo aguas abajo de la ola asociada con el salto, se denomina longitud del salto hidráulico. Con respecto a la experiencia con nuestro Datum, no se pudo clasificar el tipo de resalto hidráulico ya que por motivos de errores humanos o del sistema trabajado como la medición, compuertas, etc., presento errores a la hora de realizar los cálculos. Cabe anotar que se tuvo muy en cuenta la explicación del profesor tomando los parámetros para dicha experiencia. .
-
Rocha, Arturo. Hidráulica de Tuberías Y Canales, 2. Ven Te Chow. Hidráulica de canales abiertos, ed McGRAW-HILL 3. http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/flujoencanales/resaltohidraulic o/resaltohidraulico.html http://www.bdigital.unal.edu.co/46283/1/300067.2013.pdf 5 . ftp://soporte.uson.mx/PUBLICO/04_INGENIERIA%20CIVIL/Hidr aulica%20SZ/Hidr%E1ulica%201%20Cap_4_Salto%20Hidr%E1ul ico.pdf 6. http://ropdigital.ciccp.es/pdf/publico/1987/1987_diciembre_32 64_01.pdf 7. http://www.bdigital.unal.edu.co/12697/50/3353962.2005.Parte %2010.pdf 8. http://eduvirtual.cuc.edu.co/moodle/pluginfile.php/54812/mod _resource/content/1/GHv1.pdf
