-lab n°04

INGENIERIA CIVIL UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU

MECANICA DE FLUIDOS II MATAMOROS FLORENCIO ANA DEL PILAR

LABORATORIO N04

DESCARGA A TRAVES DE ESTRUCTURAS EN CANALES ABIERTOS

CONTENIDO

LISTA DE FIGURAS ........................................................................................................... 2

I. RESUMEN EJECUTIVO ............................................................................................. 3

II. EXECUTIVE SUMMARY ............................................................................................ 4

III. INTRODUCCION .................................................................................................. 5

IV. OBJETIVOS ............................................................................................................ 5

4.1. OBJETIVO GENERAL .......................................................................................... 5

4.2. OBJETIVO ESPECIFICO ....................................................................................... 5

V. MARCO TEORICO ................................................................................................... 6

5.1. AFORO ............................................................................................................... 6

5.2. ORIFICIOS .......................................................................................................... 6

5.2.1. LOS TIPOS DE ORIFICIO SEGUN SU ESPESOR SON .................................... 7

5.3. MEDICION DE AGUA ........................................................................................ 10

5.3.1. VELOCIDAD Y SECCION ............................................................................. 10

5.3.2. ESTRUCTURAS HIDRAULICAS .................................................................... 10

5.3.3. METODOS VOUMETRICOS ........................................................................ 12

5.3.4. METODO QUIMICO .................................................................................. 12

5.4. CLASIFICACIN DE LOS VERTEDEROS ............................................................. 15

5.4.1. VERTEDORES .............................................................................................. 15

5.4.2. VERTEDEROS DE PARED DELGADA ........................................................... 15

5.4.3. VERTEDOR CIMACIO ................................................................................. 16

5.4.4. VERTEDOR PARSHALL ................................................................................ 17

VI. METODOLOGIA ................................................................................................... 18

6.1. EQUIPO ............................................................................................................. 18

6.2. PROCEDIMIENTO ............................................................................................. 18

VII. CLCULOS Y PRESENTACION DE RESULTADOS.................................................. 19



7.1. RESULTADOS DE LABORATORIO ..................................................................... 19

VIII. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES........................................................... 23

IX. BIBLIOGRAFA ..................................................................................................... 24

X. ANEXOS ................................................................................................................. 24

LISTA DE FIGURAS

Ilustracin 1 ..................................................................................................................... 14

Ilustracin 2 .................................................................................................................... 15

Ilustracin 3 .................................................................................................................... 16

Ilustracin 4 .................................................................................................................... 17

Ilustracin 5 .................................................................................................................... 18

Ilustracin 6 ................................................................................................................... 24

Ilustracin 7 ................................................................................................................... 25

Ilustracin 8 ................................................................................................................... 25

Ilustracin 9 ................................................................................................................... 26

Ilustracin 10 .................................................................................................................. 26

Ilustracin 11 ................................................................................................................... 27

Ilustracin 12 .................................................................................................................. 27

Ilustracin 13 .................................................................................................................. 28

Ilustracin 14 .................................................................................................................. 28

Ilustracin 15 .................................................................................................................. 29



I. RESUMEN EJECUTIVO

Un canal abierto es un conducto en el que el lquido fluye con una superficie sometida a la

presin atmosfera. El flujo se origina por la presencia del canal y de la superficie del lquido.

La solucin exacta de los problemas de flujo es difcil y depende de datos experimentos

que deben cumplir una amplia gama de condiciones.

El agua que fluye en canales abiertos sirve a la humanidad en muchas formas, por lo que

es de crucial importancia llevar un registro preciso para cada uno de estos usos. En esta

prctica se presentarn varias metodologas para la medicin del gasto en un canal abierto.

Es la cuantificacin del caudal de agua que pasa por la seccin transversal de un canal.

Tambin se le conoce como aforo. El clculo de la velocidad del agua se basa en medir el

tiempo que tarda un objeto flotante en recorrer una distancia conocida.

Determinar la relacin entre caudal volumtrico y el tirante de agua en los vertederos, al

comparar los resultados con las ecuaciones que proponen los libros de texto.

En el presente trabajo de laboratorio se realizara el estudio acerca de la descarga a travs

de estructuras de canales abiertos, para esto realizamos ensayos con un canal a escala con

pendiente graduable, empleando los aforadores del laboratorio de Hidrulica con lo cual

se determina los siguientes resultados, los cuales se detallaran en el siguiente informe.



II. EXECUTIVE SUMMARY

A canal once was opened is a conduit in the it flows with a surface once atmosphere was

submitted to the pressure than the liquid. Flow originates from for the presence the canal

itself and of the liquid's surface. The exact solution of the flow problems is difficult and

depends of data experiments that must fulfill an ample conditions range.

The flowing water in open canals serves humanity in many forms, for what he is of crucial

importance keeping a record precise for each one of these uses. Herein practical several

methodologies will be up for the open measurement of the expense in a canal.

Quantification Becomes of the water flow intensity than raisin for a canal's cross-section. In

addition, they know him as tax. The calculation of the water's velocity is based on

measuring time itself that a floating object in going over a distance once was known delays.

Determining the relation among volumetric flow intensity and the water shoulder strap in

the drains, to the ranking with the equations that propose the textbooks the aftermaths.

In the present laboratory work come true the study about the unloading through structures

of open canals, ad hoc we sold off essays with a canal to scale with adjustable slope, using

the gaugers of Hidrulica's laboratory with it as determines him the following aftermaths,

them as detail him in the following report.



III. INTRODUCCION

El agua que fluye en canales abiertos sirve a la humanidad en muchas formas, por lo que

es de crucial importancia llevar un registro preciso para cada uno de estos usos. Existen

diversos mtodos para determinar el caudal que fluye a travs de un canal abierto natural

o artificial, en esta prctica se presentaran varias metodologas para la estimacin del

caudal.

El caudal de agua que fluye por una conduccin que est dada por el clculo de la velocidad

del agua el cual se basa en medir el tiempo que tarda un objeto flotante en recorrer una

distancia conocida.

IV. OBJETIVOS

4.1. OBJETIVO GENERAL

Aprender los mtodos de aforo ms comunes utilizados en flujos a superficie libre.

4.2. OBJETIVO ESPECIFICO

Conocer y aprender el uso de los vertederos de pared delgada y canal Parshall como

dispositivos medidores de caudal en canales abiertos.

Analizar el tiempo de vaciado de un recipiente.

Analizar el coeficiente de descarga en un orificio.

Aprender a aforar un recipiente dependiendo de las distintas reas y los orificios.



V. MARCO TEORICO

5.1. AFORO

De Independientemente del uso que se le d al agua que fluye por los canales (generacin

de energa hidroelctrica, uso poblacional. Utilizacin en los sistemas de riego, etc.), resulta

conveniente realizar la medicin del caudal disponible.

En los sistemas de riego, la creciente demanda que pesa sobre los recursos de agua

disponibles y el constante aumento en el costo que tiene el desarrollo de las redes de riego,

exigen que el agua se utilice de manera econmica, sin desperdiciarla. Las mediciones sirven

para asegurar el mantenimiento de los programas adecuados de suministro, descubrir las

anomalas, estimar y averiguar el origen de las prdidas que se produzcan en la conduccin

y de esta forma controlar el desperdicio.

En los sistemas de riego, existen muchos instrumentos disponibles para medir el agua, entre

los cuales se pueden mencionar: el vertedero, el orificio, las compuertas, aforadores como

Parshall.

5.2. ORIFICIOS

Los orificios, son aberturas de forma regular, hechos a travs de un muro, por donde el

agua circula haciendo contacto con todo el permetro de dicha abertura.

La forma de los orificios es cualquiera, los ms comnmente utilizados son los de forma

rectangular o circular.

Los orificios, de acuerdo con la forma de descarga, pueden ser de las siguientes clases:

Orificios con descarga libre: los orificios con descarga libre son aquellos que descargan

libremente, es decir, aquellos en que el nivel del agua, aguas abajo del mismo, est por

debajo del orificio.



Orificios sumergidos, con dimensiones fijas o ajustables: los orificios sumergidos son

aquellos en que el nivel del agua, tanto arriba, como agua abajo, est por encima del

orificio.

5.2.1. LOS TIPOS DE ORIFICIO SEGUN SU ESPESOR SON

Orificios de pared delgada: El agua al salir, tiene contacto con un solo punto, lo llenan

completamente. La vena liquida sufre una contraccin, que llega a ser externa en la parte

que se denomina seccin contrada.

Orificios de pared gruesa: El agua al salir tiene contacto en ms de una punto, se le puede

dar una forma abocinada conveniente para que al salir el agua, la seccin del orificio sea

igual a la del chorro.



Orificios de tubo: La salida del orificio est conectada n a un tubo corto, es decir, el lquido

no sale al aire inmediatamente, sino a un tubo de pequea longitud (2 o 3 veces el

dimetro del orificio).

5.2.1.1. ORIFICIO CON CARGA VARIABLE

A continuacin se deduce la ecuacin por aplicar para determinar el tiempo que se requiere

para descargar un recipiente a travs de un orificio, desde un tirante y1 a un tirante y2.

En la figura volumen descargado por el orificio en un tiempo dt, es:

Volumen descargado = Qxdt

De otro lado, la disminucin del volumen en el recipiente en el tiempo dt, es:

Disminucin de volumen = Ar x dy



Las ecuaciones deben ser iguales, pero de signo contrario, dado que mientras el tiempo

aumenta el volumen descargado (caudal) disminuye, por tener menor carga, es decir:

=

=

=

0 2

=

0 2 1/2

0

=

0 2 1/2

2

1

Lmites de integracin:

t=0; y=y1

t=t; y=y2

= 1

0 2 1/2

2

1

Donde:

t: Tiempo que se requiere para descargar de una profundidad y1 a y2.

Ar: rea trasversal del recipiente.

Ao: rea del orificio.

Cd: coeficiente de descarga.



5.3. MEDICION DE AGUA

Es la cuantificacin del caudal de agua que pasa por la seccin transversal de un conducto

(ro, riachuelo, canal, tubera) de agua; tambin se le conoce como aforo caudal de agua.

5.3.1. VELOCIDAD Y SECCION

Es uno de los mtodos ms utilizados; para determinar el caudal se requiere medir el rea

de la seccin transversal del flujo de agua y la velocidad media, se aplica la siguiente

frmula:

= (1)

Donde:

Q = Caudal del agua (m3/s)

A = rea de la seccin transversal (m2)

V = Velocidad media del agua (m/s)

Generalmente, el caudal (Q) se expresa en litros por segundo (l / s) o metros cbicos por

segundo (m3 / s.)

La dificultad principal es determinar la velocidad media porque vara en los diferentes

puntos de la seccin hidrulica.

5.3.2. ESTRUCTURAS HIDRAULICAS

Para la medicin de caudales tambin se utilizan algunas estructuras especialmente

construidas, llamadas medidores o aforadores, cuyos diseos se basan en los principios

hidrulicos de orificios, vertederos y secciones crticas.

Orificios

La ecuacin general del orificio es

= (2) (3)



Donde:

Q = Caudal (m3/s)

C = Coeficiente.

A = rea (m2)

G = Gravedad (m/s2)

h = Tirante de agua (m)

Vertederos

Pueden ser de cresta ancha o delgada y pueden trabajar en flujo de descarga libre,

sumergida o ahogada. La ecuacin general de los vertederos es:

= . (4)

Donde:

Q = Caudal (m3/s)

K, N = Coeficiente;

L = Longitud de cresta (m)

H = Tirante de agua (m)

Seccin Crtica

Es el paso del agua de una seccin ancha hacia una ms estrecha, que provoca un cambio

del rgimen, donde es posible establecer la relacin tirante - gasto.

La ecuacin general utilizada es:

= . . (5)

Donde:

Q = Caudal (m3/s)



K, N = Coeficientes

b = Ancho de garganta (m)

H = Tirante (m)

5.3.3. METODOS VOUMETRICOS

Se emplea por lo general para caudales muy pequeos y se requiere de un recipiente para

colectar el agua. El caudal resulta de dividir el volumen de agua que se recoge en el

recipiente entre el tiempo que transcurre en colectar dicho volumen.

= /

Donde:

Q = Caudal (l /s)

V = Volumen (l)

T = Tiempo (s)

5.3.4. METODO QUIMICO

Consiste en incorporacin a la corriente de cierta sustancia qumica durante un tiempo

dado; tomando muestras aguas abajo donde se estime que la sustancia se haya disuelto

uniformemente, para determinar la cantidad de sustancia contenida por unidad de

volumen.

Calibracin de Compuertas

La compuerta es un orificio en donde se establecen para determinadas condiciones

hidrulicas los valores de caudal, con respecto a una abertura medida en el vstago de la

compuerta.

Este principio es utilizado dentro de la operacin normal de una compuerta; para la

construccin de una curva caracterstica, que nos permita determinar el caudal o gasto,

tomando como referencia la carga hidrulica sobre la plantilla de la estructura.



Sin embargo, al cambiar las condiciones hidrulicas del canal del cual estn derivando, dan

lugar a la variacin de las curvas establecidas, razn por la cual es necesario establecer una

secuencia de aforos para conocer cul es el grado de modificacin de la curva utilizada.

Las prcticas ms conocidas para determinar la velocidad del agua son:

Correntmetro

La velocidad del agua se determina por medio del correntmetro.

Existen varios tipos de correntmetros, siendo los ms empleados los de hlice que son de

varios tamaos; cuando ms grandes sean los caudales o ms altas sean las velocidades,

mayor debe ser el tamao del correntmetro.

Cada correntmetro debe tener un certificado de calibracin en el que figura la frmula

para calcular la velocidad; que son calibrados en laboratorios de hidrulica: cuya frmula

general es la siguiente

v = a n + b

Donde:

v = velocidad del agua (m / s)

n = nmero de vueltas de la hlice por segundo.

a = paso real de la hlice en metros.

b = velocidad de frotamiento (m / s)

Para obtener la velocidad media de un curso de agua se deben medir la velocidad en dos,

tres o ms puntos, ubicados a diversas profundidades de la seccin del canal.

Las profundidades sugeridas en las cuales se mide las velocidades son las siguientes:



Ilustracin 1

Conocidos los tirantes de agua y los anchos de las secciones parciales, se procede a calcular

el rea de la seccin transversal; para el clculo del caudal se utilizar la frmula N 1.

Flotador

Este mtodo se utiliza cuando no se dispone de equipos de medicin; para medir la

velocidad del agua, se usa un flotador con l se mide la velocidad superficial del agua;

pudiendo utilizarse como flotador, un pequeo pedazo de madera, corcho, una pequea

botella lastrada.

Para el clculo del caudal se utiliza la siguiente frmula:

Q = C x A x v (2)

v = e / t

Donde:

C: Factor de correccin

v : Velocidad (m / s)

e : Espacio recorrido por el flotador (m)

t : Tiempo de recorrido del espacio e por el flotador (s)

A : rea de la seccin transversal

Q : Caudal



Los valores de caudal obtenidos por medio de este mtodo son aproximados, por lo tanto

requieren ser reajustados por medio de factores empricos de correccin (C), que para

algunos tipos de canal o lechos de ro y tipos de material, a continuacin se indican:

Ilustracin 2

Se recomienda utilizar el mtodo del flotador, para aforos de caudales no menores de

0.250 m3/s ni mayores de 0.900 m3/s.

5.4. CLASIFICACIN DE LOS VERTEDEROS

5.4.1. VERTEDORES

Un vertedor es una estructura hidrulica consistente en una placa o muro sobre el cual fluye

lquido a superficie libre. Los vertedores se clasifican en: vertedores de pared delgada y

vertedores de cresta ancha; los vertedores de pared delgada son tiles en aforos de

corrientes de agua de poca magnitud, mientras que los de cresta ancha generalmente son

parte de estructuras hidrulicas mayores.

5.4.2. VERTEDEROS DE PARED DELGADA

Tambin conocidos como vertederos de cresta delgada o pared aguda.

Son los vertederos construidos de una hoja de metal, de otro material de pequeo espesor

o de madera biselada, de tal manera que el chorro salte con libertad conforme deja la cara

aguas arriba del vertedero.

Debe haber una poza de amortiguacin o un canal de acceso aguas arriba para calmar

cualquier turbulencia y lograr que el agua se acerque al vertedero lenta y suavemente.



El vertedero debe tener el extremo agudo del lado aguas arriba para que la corriente fluya

libremente.

El medidor de la altura de carga (H), debe instalarse detrs de la escotadura a una distancia

mayor o igual a 4H para que no se vea afectado por la curva de descenso del agua a

medida que se acerca a la misma.

Ilustracin 3

5.4.3. VERTEDOR CIMACIO

Entre las funciones de un vertedor tipo cimacio (de excedencias o de demasas), se

mencionan: proteger a la cortina de una presa de las aguas que exceden al almacenamiento

normal, como estructura aforadora, y como estructura generadora de carga hidrulica

(presa derivadora).

La forma de cresta del vertedor coincide con la superficie inferior de una napa aireada sobre

un vertedor de cresta delgada como se muestra en la figura 14.

El caudal que descarga un vertedor puede calcularse con la siguiente ecuacin.



Ilustracin 4

5.4.4. VERTEDOR PARSHALL

El aforador Parshall, es un aparato que se basa en la prdida de altura del nivel del agua

producida por el paso forzado de una corriente a travs de un estrechamiento inclinado.

La entrada, de paredes convergentes, y la salida, de paredes divergentes, estn separadas

por una garganta de paredes paralelas y con el piso inclinado.

Este tipo de vertedor trabaja bajo condiciones de rgimen crtico en la garganta, es ideal

para aforos donde el agua lleve algn tipo de material arrastrado ya que no permite que

el sedimento se deposite.

Se usan aforadores de tamaos escalonados para medir diferentes caudales de agua. Los de

mayor tamao son fijos y construidos con obra de albailera, mientras que los ms

pequeos son movibles y se construyen de chapa metlica o plstica.

La medicin del caudal se obtiene mediante tablas especficas, para cada tipo de aforador.

Con este procedimiento se obtienen medicin es muy precisas, aun cuando el aforador

trabaje con inmersin casi completa.



Ilustracin 5

VI. METODOLOGIA

6.1. EQUIPO

Cinta mtrica o regla

Cronmetro

6.2. PROCEDIMIENTO

Segn el manual de laboratorio:

1. Tomar las medidas de los distritos recipientes, en el caso del cilndrico, los dimetros y en

el rectangular los lados.

2. Medimos las distintas alturas de os orificios y los recipientes.

3. Llenamos agua en cada recipiente hasta el tope, o el nivel del cual vamos a medir el tiempo

de descarga.

4. Tomamos el tiempo de descarga de cada orificio, en cada ensayo el recipiente es llenado

hasta el topo nuevamente.



5. Con el tiempo de descarga y las distintas dimensiones medimos el coeficiente de descarga.

6. Al medir el coeficiente de descarga ponemos el rea de cada recipiente en funcin de los

distintos tirantes. Obtenido el coeficiente de descarga de cada recipiente sacamos el

coeficiente de descarga promedio en cada recipiente.

VII. CLCULOS Y PRESENTACION DE RESULTADOS

7.1. RESULTADOS DE LABORATORIO

De las prcticas de laboratorio #1 y #2 se obtuvieron sus respectivas reas y secciones y

velocidades los cuales son:

1 = 0.0025 2

1 = 0.4 /

1 = + 21 = 0.10 + 2 0.025 = 0.15

1 = 0.10

1 = 1/1 = 0.0025/0.15 = 0.016

Hallando El Numero De Froude:

= /(/ )1/2

1 = 0.808

1 < 1



Hallando El Numero De Reynolds:

15 = 1.142 10 6

= 11/1

= 5604.20

12500

1 = 1 1 = 0.4 0.0025 = 0.001 3/

2 = 0.0030 2

2 = 0.333 /

2 = + 22 = 0.10 + 2 0.030 = 0.16

2 = 0.10

2 = 2/2 = 0.0030/0.16 = 0.019

Hallando El Numero De Froude:

= /(/ )1/2

2 = 0.614

2 < 1

Hallando El Numero De Reynolds:

15 = 1.142 10 6

= 22/2

= 5540.28



12500

Hallando El Caudal:

2 = 2 2 = 0.333 0.003 = 0.001 3/

3 = 0.0035 2

3 = 0.286 /

3 = + 23 = 0.10 + 2 0.035 = 0.17

3 = 0.10

3 = 3/3 = 0.0035/0.17 = 0.021

HALLANDO EL NUMERO DE FROUDE:

= /(/ )1/2

3 = 0.488

3 < 1

HALLANDO EL NUMERO DE REYNOLDS:

15 = 1.142 10 6

= 33/3

= 5259.194

12500

HALLANDO EL CAUDAL:



3 = 3 3 = 0.286 0.0035 = 0.001 3/

4 = 0.0035 2

4 = 0.286 /

4 = + 24 = 0.10 + 2 0.0035 = 0.17

4 = 0.10

4 = 4/4 = 0.0035/0.17 = 0.021

HALLANDO EL NUMERO DE FROUDE:

= /(/ )1/2

4 = 0.488

4 < 1

HALLANDO EL NUMERO DE REYNOLDS:

15 = 1.142 10 6

= 44/4

= 5259.194

12500



HALLANDO EL CAUDAL:

4 = 4 4 = 0.286 0.0035 = 0.001 3/

VIII. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Se aprendi los diversos mtodos de aforo que existen para determinar el gasto o caudal.

El caudal se determin por el mtodo de velocidad y seccin con la ayuda de un flotador y

un cronometro para determinar su respectiva velocidad que al final dio un caudal de 0.001

m3/s.

Es recomendable para hallar los caudales con mayor precisin tomar las velocidades con

un correntmetro.

La disposicin y mtodo correcto de aforo en el canal me garantiza la determinacin de un

caudal correcto.

La estimacin de los caudales es importante en el momento de disear un sistema de riego.

La seleccin del aforador depende de las condiciones fsicas del canal y el flujo que

corre por este.

La velocidad varia respecto a cada tramo, pero esas velocidades son similares

Se hall la velocidad con la ecuacin de Manning y luego calculamos los caudales.

Se debe realizar con detenimiento el ensayo

Cada que hagamos un ensayo debemos procurar que por los otros orificios no salga agua.

Hay que tener cuidado cuando medimos el tiempo de descarga ya que cuando termina

cada uno de estos ay un punto en que ya no se debe considerar debido a que el nivel de

agua est por debajo del punto medio del orificio.



Es recomendable tener bastantes aforos, para tener un valor aproximado del caudal.

IX. BIBLIOGRAFA

Chow, M. D. (1994). Hidrologia Aplicada. McGraw Hill.

Chow, V. T. (1994). Hidraulica de Canales Abiertos.

French, R. (1997). Hidraulica de Canales Abiertos. MacGraw-Hill.

Ruiz. (2002). Hidraulica de Canales. Lima.

Villon, M. (2010). Hidraulica de Canales.

X. ANEXOS

Ilustracin 6



Ilustracin 7

Ilustracin 8



Ilustracin 9

Ilustracin 10



Ilustracin 11

Ilustracin 12



Ilustracin 13

Ilustracin 14



Ilustracin 15

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