canal abierto
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exposicion mecanica de fluidosTRANSCRIPT
7/18/2019 Canal Abierto
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Escuela Politécnica Nacional
Facultad de Ingeniería Mecánica
Guevara Morales Trajano Saúl Morales Palma William Rolando Prado Pozo Inés Alexandra
Barragán Mayalita Joel Isaac
Canal Abierto
Historial de trabajo
El 9 de septiembre del 2013 se realizó la casa abierta en el laboratorio de Mecánica deFluidos, donde expusimos sobre el canal abierto, para lo cual se usó el equipodisponible en el laboratorio.
Hubo poca concurrencia de gente debido a la falta de conocimiento de la realizacióndel mismo.
Fecha y hora del coloquio: 9 de septiembre del 2013
Fecha y hora de realización de la práctica: 9 de septiembre del 2013
Fecha y hora de entrega: 20 de septiembre del 2013
OBSERVACIONES:
La bomba del equipo usada durante la exposición, sufría recalentamiento lo cual, encierta manera dificultaba la exposición, al no poder contar con la misma, lo queresultaba incomodo al momento de exponer a los visitantes debido a que a cadamomento era necesario desconectarla para que se enfrié, esto hizo que la exposiciónno fuera tan llamativa como se esperaba.
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Índice
Carátula ....................................................................................................................... 1
Índice ........................................................................................................................... 2
1 Objetivos .................................................................................................................. 3
2 Teoría general .......................................................................................................... 3
2.1 Flujo en canales abiertos ................................................................................ 3
2.2 Número de Froude .......................................................................................... 3
2.3 Flujo permanente y uniforme .......................................................................... 4
2.4 Geometría del canal ....................................................................................... 5
2.5 Energía en canales abiertos ........................................................................... 62.6 Resalto hidráulico o salto hidráulico ................................................................ 7
3 Equipos .................................................................................................................... 8
4 Teoría aplicada al equipo ........................................................................................ 8
5 Actividad de los expositores .................................................................................. 8
6 Conclusiones ......................................................................................................... 10
7 Recomendaciones ................................................................................................. 11
8 Bibliografía............................................................................................................. 11
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1. OBJETIVOS:
Conocer acerca de los conceptos generales de un canal abierto Conocer sobre las aplicaciones industriales del conocimiento del mismo. Dar a conocer a la gente acerca de los fenómenos que se presentan en el uso
de estos aparatos. Dejar en alto el nombre de la universidad y de la facultad.
2. TEORÍA GENERAL:
Páginas de internet:
http://mecanicafluidos7mo.blogspot.com/2008/04/flujo-en-canales-abiertos.html(Inés Prado)
http://www.monografias.com/trabajos14/canales-abiert/canales-abiert.shtml(Guevara Saúl).
http://www.amf.uji.es/Practica_Canal_Abierto.pdf (Joel Barragán) https://es.wikipedia.org/wiki/Canal_(ingenier%C3%ADa) (Rolando Morales) https://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_de_Froude (Rolando Morales)
2.1 FLUJO EN CANALES ABIERTOS
El flujo de canales abiertos tiene lugar cuando los líquidosfluyen por la acción de la gravedad y solo están parcialmente
envueltos por un contorno sólido. En el flujo de canalesabiertos, el líquido que fluye tiene superficie libre y sobre él noactúa otra presión que la debida a su propio peso y a lapresión atmosférica. El flujo en canales abiertos también tienelugar en la naturaleza, como en ríos, arroyos, etc., si bien engeneral, con secciones rectas del cauce irregulares. De formaartificial, creadas por el hombre, tiene lugar en los canales,acequias, y canales de desagüe. En la mayoría de los casos.Los canales tienen secciones rectas regulares y suelen ser rectangulares, triangulareso trapezoidales. También tienen lugar el flujo de canales abiertos en el caso deconductos cerrados, como tuberías de sección recta circular cuando el flujo no es aconducto lleno. En los sistemas de alcantarillado no tiene lugar, por lo general, el flujo
a conducto lleno, y su diseño se realiza como canal abierto.
2.2 NÚMERO DE FROUDE
El numero de Reynolds y los términos laminar y turbulentos no bastan paracaracterizar todas las clases de flujo en los canales abiertos.
El mecanismo principal que sostiene flujo en un canal abierto es la fuerza degravitación. Por ejemplo, la diferencia de altura entre dos embalses hará que el aguafluya a través de un canal que los conecta. El parámetro que representa este efectogravitacional es el Número de Froude, puede expresarse de forma adimensional. Este
es útil en los cálculos del resalto hidráulico, en el diseño de estructuras hidráulicas yen el diseño de barcos.
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L - parámetro de longitud [m]
v - parámetro de velocidad [m/s] g - aceleración de la gravedad [m/s²]
El flujo se clasifica como:Fr<1, Flujo subcrítico o tranquilo, tiene una velocidad relativa baja y la profundidad esrelativamente grande, prevalece la energía potencial.Corresponde a un régimen dellanura.Fr=1, Flujo critico,es un estado teórico en corrientes naturales y representa el punto detransición entre los regímenes subcrítico y supercrítico.Fr>1, Flujo supercrítico o rápido, tiene una velocidad relativamente alta y pocaprofundidad prevalece la energía cinética. Propios de cauces de gran pendiente o ríosde montaña.
2.3 FLUJO PERMANENTE Y UNIFORME
El flujo uniforme permanente es el tipo de flujo fundamental que se considera en lahidráulica de canales abiertos. La profundidad del flujo no cambia durante el intervalode tiempo bajo consideración. En el caso especial de flujo uniforme y permanente, lalínea de alturas totales, la línea de altura piezométricas y la solera del canal son todasparalelas, es decir, son todas iguales sus pendientes.
La característica principal de un flujo permanente y uniforme en canales abiertos esque la superficie del fluido es paralela a la pendiente del canal, es decir, dy/dx = 0 o laprofundidad del canal es constante, cuando la pendiente final (Sf) es igual a lapendiente inicial (So) del canal. Estas condiciones se dan comúnmente en canaleslargos y rectos con una pendiente, sección transversal y un revestimiento de lassuperficies del canal homogéneo, caso tipito en regadíos. En el diseño de canales esmuy deseable tener este tipo de flujo ya que significa tener un canal con alturaconstante lo cual hace más fácil diseñar y construir. Las condiciones de flujopermanente y uniforme solo se pueden dar en canales de sección transversalprismáticas, es decir, cuadrada, triangular, trapezoidal, circular, etc. Si el área no esuniforme tampoco lo será el flujo. La aproximación de flujo uniforme implica que lavelocidad es uniforme es igual a la velocidad media del flujo y que la distribución de
esfuerzos de corte en las paredes del canal es constante.
Bajo las condiciones anteriores se pueden obtener las siguientes relaciones,denominadas relaciones de Chezy –Manning, para la velocidad V y el caudal Q:
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Donde:
K: Valor constante según las unidades a utilizar. Ac: Área de la sección del Canal.Rh: Radio hidráulico de la sección.So: Pendiente del Fondo del Canal.n: Coeficiente de Mannig
En la tabla anterior se observan los valores para el coeficiente de Mannig (n) donde,como se mencionó k vale 1.0 y 1.49 para el sistema internacional (SI) y el británicorespectivamente, n se denomina coeficiente de Manning y depende del material de la
superficie del canal en contacto con el fluido.
2.4 GEOMETRÍA DEL CANAL
Un canal con una sección transversal invariable y una pendiente de fondo constantese conoce como canal prismático. De otra manera, el canal es no prismático; unejemplo es un vertedero de ancho variable y alineamiento curvo. Al menos que seindique específicamente los canales descritos son prismáticos.
El trapecio es la forma más común para canales con bancas en tierra sinrecubrimiento, debido a que proveen las pendientes necesarias para la estabilidad.
El rectángulo y el triángulo son casos especiales del trapecio. Debido a que elrectángulo tiene lados verticales, por lo general se utiliza para canales construidospara materiales estables, como mampostería, roca, metal o madera. La seccióntransversal solo se utiliza para pequeñas asqueas, cunetas o a lo largo de carreteras ytrabajos de laboratorio. El círculo es la sección más común para alcantarillados yalcantarillas de tamaño pequeño y mediano.
Los elementos geométricos de una sección de canal son propiedades que estarándefinidas por completo por la geometría de la sección y la profundidad del flujo del
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canal. Estos elementos son muy importantes para el estudio de los flujos en canalesabiertos y las expresiones más características son las siguientes:
Secciones Rectangulares
Criterio para mejor sección transversal hidráulica (para canal rectangular):
Canales Trapezoidales
Para canales trapezoidales se toman los mismos criterios para la sección hidráulicamás eficiente:
Como conclusión se puede decir que la mejor sección transversal hidráulica para uncanal abierto es la que tiene el máximo radio hidráulico o, proporcionalmente, la quetiene menor perímetro mojado para una sección transversal especifica.
2.5 ENERGÍA EN CANALES ABIERTOS
En hidráulica se sabe que la energía total del agua en metros-kilogramos por kilogramos de cualquier línea de corriente que pasa a través de una sección de canalpuede expresarse como la altura total en pies de agua, que es igual a la suma de la
elevación por encima del nivel de referencia, la altura de presión y la altura develocidad.
Energía de un flujo gradualmente variado en canales abiertos.
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De acuerdo con el principio de conservación de energía, la altura de energía total en lasección 1 localizada aguas arriba debe de ser igual a la altura de energía total en lasección 2 localizada aguas abajo más la pérdida de energía hf entre las dossecciones, ver figura.
Esta ecuación es aplicable a flujos paralelos o gradualmente variados. Para un canalde pendiente pequeña, esta se convierte en
2.6 RESALTO HIDRÁULICO O SALTO HIDRÁULICO
El resalto hidráulico es el ascenso brusco del nivel del agua que se presenta en uncanal abierto a consecuencia del retardo que sufre una corriente de agua que fluye aelevada velocidad. Este fenómeno presenta un estado de fuerzas en equilibrio, en elque tiene lugar un cambio violento del régimen de flujo, de supercrítico a subcrítico.
Este involucra una pérdida de energía relativamente grande mediante disipación en elcuerpo turbulento de agua dentro del resalto. En consecuencia, el contenido deenergía en el flujo después del resalto es apreciablemente menor que el de antes del
mismo.
La profundidad antes del resalto es siempre menor que la profundidad después delresalto. La profundidad antes del resalto se conoce como profundidad inicial y1, ydespués del resalto se conoce como profundidad final y2.
Para flujo supercrítico en un canal horizontal, la energía de flujo se disipa a través de
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la resistencia a la fuerza de fricción a lo largo del canal, dando como resultado undescenso en la velocidad y un incremento en la profundidad en la dirección del flujo. Elresalto hidráulico se formará en el canal si el número de Froude F1 del flujo, laProfundidad de flujo y1 y la profundidad y2 aguas abajo satisfacen la ecuación derazón de profundidades:
El número de Froude siempre es mayor que la unidad antes del resalto y menor que launidad después de él.
3. EQUIPOS:
Simulador de canal abierto del laboratorio.
4. TEORÍA APLICADA AL EQUIPO:
Se considera un canal abierto a un conducto con una superficie libre, que siempre estáa presión atmosférica. El flujo en canales abiertos tiene lugar en ríos, arroyos,acequias, desagües, etc.
5. ACTIVIDAD DE LOS EXPOSITORES:
Saúl Guevara: La exposición se realizó con normalidad, asistimos vestidosformalmente usando terno y corbata y vestido en el caso de nuestracompañera, expuse acerca de la definición de canal abierto sus generalidadesy aplicaciones en la industria. Se procuró usar el equipo de manera adecuadapara evitar especialmente el sobrecalentamiento de la bomba lo cual en partedificulto la demostración. Expuse sobre el tema alrededor de 13 personas lascuales se mostraron complacidas por la exposición debido a que nuestro grupose preparó de buena manera y pudimos responder de manera inmediata y
garantizada a las preguntas frecuentes que se realizaron como, ¿Para quésirve esa máquina?, etc.Lo que más llamo la atención a la gente fue la formación de la onda solitaria yla explicación de la ecuación de Bernoulli en la máquina.Explique el uso de las tablas con el coeficiente de Manning y su importancia enla industria así como la correcta explicación del número de Froude.
Joel Barragán: Con el compañero William Morales llegamos aproximadamentea las 8y 30 de la mañana al laboratorio, cabe recalcar que ambos llegamos conterno y presentables para que la exposición sea lo más formal posible. El
ayudante nos manifestó que la bomba del equipo estaba fallando, razón por la
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cual existían fugas de agua, tentativamente se nos intentó cambiar de máquinaa la de simulador de canal abierto más grande.Después de unos ajustes a la máquina pequeña, se logró reducir considerablemente las fugas. Una vez hecho esto, el ayudante nos explicó elfuncionamiento de la misma.
Después de esto, empezamos a dialogar con el compañero William Moralespara ponernos de acuerdo a lo que debíamos exponer.En general expuse tratando de que relacionen los conceptos de la Mecánica deFluidos con términos o situaciones cotidianas. Se partió de la definición decanal abierto, una explicación de las diferencias entre un flujo en canal abiertoy uno en tuberías, luego una explicación de la parte teórica del flujo en canalabierto, temas como el número de Froude y Reynolds fueron explicados,coeficiente de Manning; las energías asociadas al proceso del flujo, lostérminos de áreas y sus componentes también fueron explicadas. Después dela explicación teórica se procedió a explicarles el funcionamiento del equipo:
bomba centrífuga, regulador de caudal, etc. Se les demostraron a las personasque asistieron a la casa abierta los conceptos del flujo en canales abiertos através de la máquina en funcionamiento, tales como la onda solitaria, la cualgeneró gran expectativa entre los asistentes al igual que la variación de lacorriente que se producía al regular el caudal.Mantuve una atención cordial frente a las personas que llegaron a la casaabierta, de respeto mutuo y tratando de explicar lo mejor posible para quelogren entender las aplicaciones que tiene la Mecánica de Fluidos en la vidacomún.
Inés Prado: Llegue aproximadamente a las 9 de la mañana conjuntamente conSaúl Guevara, compañero con el cual iba a exponer ya que nuestro grupo sedividió en dos para el beneficio de la exposición, debido a la poca concurrenciade la gente por la falta de conocimiento de la casa abierta, no tuvimos muchasoportunidades de exponer, pero las pocas que tuvimos las realizamos de lamejor manera, explicando el funcionamiento del equipo y su uso en ejemplosde la vida diaria, además de la explicación de algunos conceptosfundamentales para caracterizar un fluido, tales como el número de Reynolds yde Froude, también se realizó una demostración del funcionamiento del equipo,invitando a los asistentes a observar y participar en la generación de una ondasolitaria.
Rolando Morales: La exposición comenzó aproximadamente a las 9 amtiempo hasta el cual con mi compañero Joel Barragán realizamos la inspeccióndel equipo debido a que presentaba una fuga en la bomba, procedimos aarreglarla con la ayuda del ayudante del laboratorio ahí presente, una veziniciado el horario de exposición los primeros grupos de asistentes se tardaronen llegar debido a la baja concurrencia de aquel día, los conceptos expuestosen la casa abierta incluían una explicación lo más clara y sencilla deparámetros como el número de Reynolds, el número de Froude y laspropiedades presentes en el análisis de compuertas. Una actividad muy
entretenida para los asistentes fue el presenciar cómo se generaba una ondasolitaria, viajaba a través del canal y la forma en que esta se eliminaba al llegar
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al tanque deposito del equipo y con nuestra explicación de la forma en que laingeniería aplica estos parámetros en la vida cotidiana. Un gran contratiempoque tuvimos fue cuando la bomba del equipo empezó a recalentarse, por locual nos vimos muy restringidos con el tiempo que podíamos mantener encendido el equipo. Las casas abiertas finalizaron aproximadamente a las
13:00 horas, en esta hora se procedió a entregar el equipo usado en laexposición y abandonar la localidad. La experiencia obtenida en estaexposición es muy gratificante a la vez que enriquecedora.
6. CONCLUSIONES
Saúl Guevara
El amplio conocimiento del tema de exposición brinda seguridad tanto a losexpositores como a los asistentes.
Las aplicaciones de canal abierto son importantes al momento de diseñar
sistemas de riego de cultivos. Es importante el uso de los coeficientes de manning para el diseño de canales. Con este equipo se puede apreciar de mejor manera el uso de la ecuación de
Bernoulli.
Joel Barragán
Se mostró a los asistentes las una perspectiva diferente de la Mecánica deFluidos con una aplicación práctica que es el canal abierto.
Verificamos y entendimos los diferentes factores que intervienen en un flujo encanal abierto.
La exposición favorece a que gente común no relacionada con la ingenieríalogre obtener un mejor conocimiento de las situaciones físicas que nos rodean.
Se logró aumentar el interés de las personas que aún no están en launiversidad sobre la carrera de Ingeniería Mecánica.
Inés Prado
Al exponer un tema se logra un amplio conocimiento de este, ya que al explicar a otras personas, además de responder preguntas, se desarrolla el tema y seadquiere mayor conocimiento.
Se logro captar la atención de los asistentes a la casa abierta, dándoles unamejor perspectiva tanto de la materia de mecánica de fluidos como de lafacultad.
Se dio a conocer no solo el tema, sino también sus aplicaciones en la vidacotidiana.
Rolando Morales
La forma interactiva en la que se trató de explicar nuestro tema hizo que laasimilación de la información sea más fácil y entendible.
Al realizar la práctica a manera de exposición nos garantiza la perduración del
conocimiento aplicado al momento de la explicación a los asistentes.
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Se ayudo a entender a la gente la aplicación de estos conocimientos eningeniería y diseño y la aproximación a lo que se sería un río en la naturaleza.
7. RECOMENDACIONES:
Saúl Guevara
Es recomendable cambiar de bomba del equipo para evitar que se queme elmismo.
Joel Barragán
Sellar bien las uniones de la máquina para evitar fugas de agua. Controlar el sobrecalentamiento que se daba en la bomba. Dejar el espacio que se encuentra en frente de la puerta enrollable metálica
libre de autos para que la gente pueda saber que allí se desarrolla la casaabierta de Mecánica.
Poner gente encargada de atraer personas a las casas abiertas.
Inés Prado
Tener cuidado de apagar el equipo para evitar un sobre calentamiento de labomba.
Llamar la atención de las personas para que estas asistan a la casa abierta.
Rolando Morales
Preparar mejor el equipo dando un mantenimiento preventivo a manera desiempre tenerlo “a punto”.
Mejorar la publicidad que tiene la casa abierta del laboratorio de mecánica defluidos, para así lograr una mejor acogida por parte de los asistentes.
8. BIBLIOGRAFÍA
http://mecanicafluidos7mo.blogspot.com/2008/04/flujo-en-canales-abiertos.html http://www.monografias.com/trabajos14/canales-abiert/canales-abiert.shtml
http://www.amf.uji.es/Practica_Canal_Abierto.pdf https://es.wikipedia.org/wiki/Canal_(ingenier%C3%ADa)
https://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_de_Froude