laboratorio n 1 flujo uniforme mfii
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UNIVERSIDAD DE SAN MARTIN DE PORRES
UNIVERSIDAD DE SAN MARTIN DE PORRESESCUELA DE INGENIERIA CIVIL LABORATORIO N 1: FLUJO UNIFORME
Facultad de Ingeniera y ArquitecturaEscuela de Ingeniera Civil
LABORATORIO DE MECNICA DE FLUIDOS II
LABORATORIO N 1: FLUJO UNIFORME
Chiclayo, 02 de junio del 2014DVILA MONTEZA, Lizbeth Isamar
Ing. Wilmer Zelada ZamoraMecnica de Fluidos II
CONTENIDO
INTRODUCCIN3OBJETIVOS4I.MARCO TERICO51.1.CANALES: DEFINICIONES PRINCIPIOS BSICOS51.1.1.SECCIONES TRANSVERSALES51.1.2.ELEMENTOS GEOMTRICOS DE UNA SECCIN TRANSVERSAL61.1.3.CLASIFICACIN DEL FLUJO EN CANALES ABIERTOS71.1.4.NMERO DE FROUDE81.2.FLUJO PERMANENTE: FLUJO UNIFORME8II.MATERIALES Y/O EQUIPOS9III.PROCEDIMIENTO11IV.TOMA Y PROCESAMIENTO DE DATOS12V.RESULTADOS17CONCLUSIONES17BIBLIOGRAFA18ANEXOS19
INTRODUCCIN
El lquido que fluye en los canales tiene una superficie libre y sobre l no acta otra presin que la debida a su propio peso y a la presin atmosfrica. El flujo en canales abiertos tambin tiene lugar en la naturaleza, como en ros, arroyos, etc. en general con secciones rectas de cauces irregulares.De forma artificial creadas por el hombre, tienen lugar los canales, acequias y canales de desage, en la mayora de casos los canales tienen secciones rectas regulares y suelen ser rectangulares, triangulares o trapezoidales.Para poder comprender por completo el comportamiento de un fluido en un canal, se necesitan determinar un gran nmero de caractersticas o parmetros que, juntos y/o individualmente, proporcionan datos muy importantes obtenidos a partir de consideraciones por dems significativas. De todos aquellos parmetros probablemente el ms sencillo de calcular y, por consiguiente, los que puede proporcionar informacin rpida del tipo de flujo que se desarrolla es el nmero de Froude, el cual ayuda a caracterizar el tipo de flujo presente en un canal abierto.
OBJETIVOS
Familiarizarse con la medicin de las magnitudes habituales al tratar con conducciones abiertas.
Observar y analizar las caractersticas fsico-hidrulicas de los canales abiertos y del flujo uniforme.
Determinar el flujo de los canales de forma rectangular y realizar mediciones como la profundidad, caudal, teniendo en cuenta el volumen y el tiempo.
Determinar el coeficiente de la ecuacin de Manning del canal de Laboratorio, estableciendo para ello el rgimen uniforme en dicho canal.
I. MARCO TERICO1.1. CANALES: DEFINICIONES PRINCIPIOS BSICOSLos canales son conductos en los que el agua circula debido a la accin de gravedad y sin ninguna presin, pues la superficie libre del lquido est en contacto con la atmosfera. Los canales pueden ser naturales (ros o arroyos) o artificiales (construidos por el hombre).1.1.1. SECCIONES TRANSVERSALES
Seccin Trapezoidal: Se usa siempre en canales de tierra y en canales revestidos. Seccin Rectangular: Se emplea para acueductos de madera, para canales excavados en roca y para canales revestidos. Seccin Triangular: Se usa para cunetas revestidas en las carreteras, tambin en canales de tierra pequeos fundamentalmente por facilidad de trazo. Seccin Parablica: Se emplea a veces para canales revestidos y es la forma que toman aproximadamente muchos canales naturales y canales viejos de tierra. Seccin Circular y de Seccin de Herradura: Se usan comnmente para alcantarillas y estructuras hidrulicas importantes.
FIGURA 1. Secciones transversales de canales abiertos
1.1.2. ELEMENTOS GEOMTRICOS DE UNA SECCIN TRANSVERSALUn canal abierto presenta las siguientes caractersticas en funcin del flujo que transporta y de la seccin geomtrica del canal:
Tirante (y): Es la distancia vertical desde el punto ms bajo de la plantilla del canal hasta las superficie libre del lquido transportado. Espejo de agua (T): Es el ancho del canal a la altura de la cual se presenta la superficie lquido del fluido. Ancho de solera (b): Es el ancho de la base del canal, en canales rectangulares el ancho de solera es igual al espejo de agua. Tambin ancho de plantilla. Talud (Z): Es la relacin de la proyeccin horizontal a la vertical de la pared lateral, se llama tambin talud de paredes laterales del canal. Es decir Z es el valor de la proyeccin horizontal cuando la vertical es 1. En canales rectangulares el talud es 0. rea hidrulica (A): Es el rea transversal del fluido normal, es decir es el rea ocupada por el lquido en una seccin trasversal Permetro mojado (P): Es la parte del contorno del conducto que est en contacto con el lquido. Radio hidrulico (R): Es la dimensin caracterstica de la seccin transversal, hace las funciones del dimetro en tuberas, se obtiene de la siguiente relacin:
1.1.3. CLASIFICACIN DEL FLUJO EN CANALES ABIERTOS
(A) Flujo permanente1) Flujo uniforme2) Flujo variadoa. Flujo gradualmente variadob. Flujo rpidamente variado
(B) Flujo no permanente1) Flujo uniforme no permanente (raro)2) Flujo no permanente (es decir, flujo variado no permanente)a. Flujo gradualmente variado no permanenteb. Flujo rpidamente variado no permanente
1.1.4. NMERO DE FROUDENmero de Froude y tiene una gran importancia en flujos con velocidades elevadas que ocurren por la accin exclusiva de la fuerza de aceleracin de la gravedad (canales abiertos), como por ejemplo en el flujo turbulento a superficie libre, donde los efectos viscosos son despreciables. Matemticamente, el nmero de Froude es:
Como es posible observar, en el numerador de la expresin anterior se toman en cuenta el efecto de las fuerzas inerciales y, en el denominador, el efecto causado por las fuerzas gravitacionales. A medida que aumenta el nmero de Froude, mayor es la reaccin inercial, si disminuye, entonces es mayor el efecto de la fuerza gravitacional.
De manera general, para caracterizar el flujo con este parmetro tenemos:
1.2. FLUJO PERMANENTE: FLUJO UNIFORMESe dice que el flujo en canales abiertos es uniforme si la profundidad de flujo es la misma en cada seccin del canal. El flujo es uniforme si la profundidad, el rea mojada, la velocidad y el caudal en cada seccin del canal son constantes; la lnea de energa, la superficie del agua y el fondo del canal son paralelos es decir todas sus pendientes son todas iguales, entonces se tiene Las condiciones ligadas al flujo uniforme y permanente se llaman normales. De ah los trminos tirante normal , velocidad normal, pendiente normal, etc.El movimiento del agua es causado nicamente por la accin de la fuerza de gravedad mientras que por otra parte, la friccin que existe entre las paredes del canal y las molculas de agua se opone al flujo.
Para el clculo del flujo uniforme y permanente se emplea la frmula de Robert Manning, expresin derivada de la de Antoine Chezy, para el sistema mtrico decimal tenemos:
Dnde:
II. MATERIALES Y/O EQUIPOS Simulador de canal: Canal de seccin rectangular con paredes transparentes por el que se hace circular agua. El agua se toma del depsito de almacenamiento mediante una bomba hidrulica, con regulacin de velocidad y, por medio de la tubera, es conducida al depsito de entrada, donde dispone de un tranquilizador de flujo. Desde aqu el agua circula por el canal y descarga en el depsito de captacin, retornando finalmente al depsito de almacenamiento, con lo que se completa el circuito cerrado.
Regla metlica
Bomba hidrulica: Las bombas hidrulicas funcionan permitiendo que la presin atmosfrica empuje el lquido en la lnea de entrada desde el depsito. Una vez que el lquido est dentro de la lnea de entrada, llega a la bomba por la accin mecnica de la aspiradora.
Cronmetro: Los cronmetros son relojes mecnicos de alta precisin y son empleados para medir con gran precisin, un tiempo determinado. En este caso se utilizar para medir el caudal de agua en el procedimiento de la experimentacin.
Probeta (Jarra): La probeta es un instrumento que permite medir volmenes superiores. Est formado por un tubo generalmente transparente de unos centmetros de dimetro, y tiene una graduacin (una serie de marcas grabadas) desde 0 ml (hasta el mximo de la probeta) indicando distintos volmenes.
III. PROCEDIMIENTO1) Fijar la seccin de inters de estudio.2) Medir el ancho del canal b.3) En funcin del caudal que se pretende obtener se abre la vlvula el nmero de vueltas necesario (vericar que se parta de la posicin cerrado).4) Se pone en funcionamiento la bomba, dejando pasar alrededor de 2 minutos para que el sistema entre en rgimen y genere un perfil hidrulico uniforme y permanente.5) Medir el tirante que arroja el flujo en dos secciones suficientemente alejadas entre s, una vez que los valores son iguales se habr establecido un rgimen uniforme.6) Medir el caudal partiendo del volumen que se obtiene al ingresar la probeta en la salida del canal (jarra graduada en nuestro caso) y controlando con cronmetro el tiempo en el que este se llena hasta cierto nivel. 7) Determinar la pendiente del canal. Para ello, se debern tomar lecturas y , utilizando un nivel, ubicando la regla metlica en dos secciones extremas del canal, y midiendo la distancia entre ellas. La pendiente viene dada por:
8) Calcular el rea, el permetro mojado, el radio hidrulico y a partir de ellos, el coeficiente de Manning. Para canal rectangular tenemos:
IV. TOMA Y PROCESAMIENTO DE DATOS* El canal es rectangular
CAUDAL N 1: La vlvula semi abierta
N de ObservacionesVolumen (m3)Tiempo (segundos)Caudal (Q) (m3/s)
10.000221.240.0001774
20.000291.680.0001726
30.000362.180.0001651
40.000442.400.0001833
50.000382.180.0001743
60.000392.000.0001950
70.000311.650.0001879
80.000412.060.0001990
90.000522.680.0001940
100.000452.360.0001907
110.000753.760.0001995
120.000592.980.0001980
130.000653.300.0001970
140.000573.000.0001900
150.000552.850.0001930
160.000633.210.0001963
170.000593.080.0001916
N de Obs.Q (m3)Ancho de solera (b) (m)Tirante (y) (m)Pendiente (So)A (m2)P (m)Rni
10.00017740.0250.0170.010.0004250.0590.00720340.0089
20.00017260.0250.0170.010.0004250.0590.00720340.0092
30.00016510.0250.0170.010.0004250.0590.00720340.0096
40.00018330.0250.0170.010.0004250.0590.00720340.0086
50.00017430.0250.0170.010.0004250.0590.00720340.0091
60.00019500.0250.0170.010.0004250.0590.00720340.0081
70.00018790.0250.0170.010.0004250.0590.00720340.0084
80.00019900.0250.0170.010.0004250.0590.00720340.0080
90.00019400.0250.0170.010.0004250.0590.00720340.0082
100.00019070.0250.0170.010.0004250.0590.00720340.0083
110.00019950.0250.0170.010.0004250.0590.00720340.0079
120.00019800.0250.0170.010.0004250.0590.00720340.0080
130.00019700.0250.0170.010.0004250.0590.00720340.0080
140.00019000.0250.0170.010.0004250.0590.00720340.0083
150.00019300.0250.0170.010.0004250.0590.00720340.0082
160.00019630.0250.0170.010.0004250.0590.00720340.0081
170.00019160.0250.0170.010.0004250.0590.00720340.0083
n promedio0.0084
CAUDAL N 2: La vlvula abierta
N de ObservacionesVolumen (m3)Tiempo (segundos)Caudal (Q) (m3/s)
10.00061.150.0005217
20.000711.380.0005145
30.00081.430.0005594
40.000651.320.0004924
50.000851.420.0005986
60.000731.300.0005615
70.000791.350.0005852
80.000741.320.0005606
90.000751.470.0005102
100.000851.520.0005592
110.000781.310.0005954
120.000761.300.0005846
130.000721.230.0005854
140.00081.350.0005926
150.00081.360.0005882
160.000881.500.0005867
170.000841.410.0005957
N de Obs.Q (m3)Ancho de solera (b) (m)Tirante (y) (m)Pendiente (So)A (m2)P (m)Rni
10.00052170.0250.0340.010.000850.0930.00913980.0071
20.00051450.0250.0340.010.000850.0930.00913980.0072
30.00055940.0250.0340.010.000850.0930.00913980.0066
40.00049240.0250.0340.010.000850.0930.00913980.0075
50.00059860.0250.0340.010.000850.0930.00913980.0062
60.00056150.0250.0340.010.000850.0930.00913980.0066
70.00058520.0250.0340.010.000850.0930.00913980.0063
80.00056060.0250.0340.010.000850.0930.00913980.0066
90.00051020.0250.0340.010.000850.0930.00913980.0073
100.00055920.0250.0340.010.000850.0930.00913980.0066
110.00059540.0250.0340.010.000850.0930.00913980.0062
120.00058460.0250.0340.010.000850.0930.00913980.0064
130.00058540.0250.0340.010.000850.0930.00913980.0063
140.00059260.0250.0340.010.000850.0930.00913980.0063
150.00058820.0250.0340.010.000850.0930.00913980.0063
160.00058670.0250.0340.010.000850.0930.00913980.0063
170.00059570.0250.0340.010.000850.0930.00913980.0062
n promedio0.0066
CAUDAL N 3: La vlvula completamente abierta
N de ObservacionesVolumen (m3)Tiempo (segundos)Caudal (Q) (m3/s)
10.000450.710.0006338
20.00060.950.0006316
30.000791.220.0006475
40.000821.240.0006613
50.000841.440.0005833
60.000540.790.0006835
70.000751.110.0006757
80.0011.510.0006623
90.000951.470.0006463
100.000751.070.0007009
110.000731.110.0006577
120.000630.950.0006632
130.000771.130.0006814
140.000891.350.0006593
150.00081.180.0006780
N de Obs.Q (m3)Ancho de solera (b) (m)Tirante (y) (m)Pendiente (So)A (m2)P (m)Rni
10.00063380.0250.0390.010.0009750.1030.0094660.0069
20.00063160.0250.0390.010.0009750.1030.0094660.0069
30.00064750.0250.0390.010.0009750.1030.0094660.0067
40.00066130.0250.0390.010.0009750.1030.0094660.0066
50.00058330.0250.0390.010.0009750.1030.0094660.0075
60.00068350.0250.0390.010.0009750.1030.0094660.0064
70.00067570.0250.0390.010.0009750.1030.0094660.0065
80.00066230.0250.0390.010.0009750.1030.0094660.0066
90.00064630.0250.0390.010.0009750.1030.0094660.0068
100.00070090.0250.0390.010.0009750.1030.0094660.0062
110.00065770.0250.0390.010.0009750.1030.0094660.0066
120.00066320.0250.0390.010.0009750.1030.0094660.0066
130.00068140.0250.0390.010.0009750.1030.0094660.0064
140.00065930.0250.0390.010.0009750.1030.0094660.0066
150.00067800.0250.0390.010.0009750.1030.0094660.0064
n promedio0.0066
V. RESULTADOSEntonces: n10.0084
n20.0066
n30.0066
n promedio total0.0072
Tirante (y) (m)Ancho de solera (b) (m)n Pendiente (So)A (m2)P (m)RQ (m3/s)
10.0170.0250.00720.010.0004250.0590.007200.000220
20.0340.0250.00720.010.0008500.0930.009140.000515
30.0390.0250.00720.010.0009750.1030.009470.000605
Q (m3/s)Velocidad (m2/s)Nmero de FroudeTirante critico (yn)Energa Mnima
10.0002200.51761.270.01990.0336
20.0005150.60591.050.03510.0538
30.0006050.62051.000.03910.0587
CONCLUSIONES
En un flujo uniforme las lneas de corriente son paralelas a la solera, a la superficie libre del agua y a la lnea de energa.
El flujo uniforme, para cualquier propsito prctico, tambin es permanente ya que el flujo impermanente y uniforme no existe en la naturaleza.
De acuerdo al nmero de Froude los flujos obtenidos se caracterizan:
La rugosidad que se obtuvo para el acrlico es de 0.0072.
BIBLIOGRAFA
Chow, V. T. (2004). Hidrulica de canales abiertos. Estados del flujo en un canal. (s.f.). Obtenido de http://www.uaemex.mx/pestud/licenciaturas/civil/hidraulica1/Pr%E1ctica%20HI%205.pdfFlujo uniforme en canales abiertos. (s.f.). Obtenido de http://www.uaemex.mx/pestud/licenciaturas/civil/hidraulica2/Pr%E1ctica%201%20HII.pdfGarca Prats, A. (s.f.). Hidrulica prcticas de laboratorio. Gua de trabajos prcticos - Laboratorio de hidrulica. (s.f.). Obtenido de http://www.edutecne.utn.edu.ar/guias_de_estudio/gtp_lab_hidraulica.pdfVilln Bjar, M. (2007). Hidrulica de canales (Segunda ed.). Per: Villn.
ANEXOS(Imgenes del Laboratorio)
MECNICA DE FLUIDOS II5
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