UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA

UNC E.A.P.INGENIERIA HIDRAULICa

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCAFACULTAD DE INGENIERIARESALTO HIDRULICO EN VERTEDERO

I. INTRODUCCIN

El presente informe consiste en visualizar los tipos de resalte hidrulico en vertedero y la aplicacin de lo aprendido en clase.

El objetivo de este de este informe es mostrar a travs de pruebas experimentales como se puede medir el resalto hidrulico, el terico y el prctico.

Pero el paso inverso de rgimen rpido al lento se produce de forma brusca, con una fuerte disipacin de energa, que se manifiesta por un conjunto de remolinos, previos a la elevacin del calado correspondiente al rgimen lento. Este efecto se conoce como resalto hidrulico.

Para la obtencin de los calados conjugados Y (rpido) e Y (lento) en este proceso, se aplica la ecuacin de la conservacin de la cantidad de movimiento.

II. ANTECEDENTES

El salto hidrulico fue investigado por primera vez experimentalmente por Giorgio Bidone, un cientfico italiano en 1818 El salto hidrulico es conocido tambin como una onda estacionaria. Las aplicaciones de este fenmeno local en la ingeniera civil, son:

Para la disipacin de la energa del agua escurriendo por los vertederos de las presas y otras obras hidrulicas, y evitar as la socavacin aguas abajo de la obra.

Para recuperar altura o levantar el nivel del agua sobre el lado aguas abajo de un canal de medida y as mantener alto el nivel del agua en un canal para riego u otros propsitos de distribucin de agua.

Para incrementar peso en la cuenca de disipacin y contrarrestar as el empuje hacia arriba sobre la estructura.

Para incrementar la descarga de una esclusa manteniendo atrs el nivel aguas abajo, ya que la altura ser reducida si se permite que el nivel aguas abajo ahogue el salto.

Para indicar condiciones especiales del flujo, tales como la existencia del flujo supercrtico o la presencia de una seccin de control siempre que se pueda ubicar una estacin de medida.

Para mezclas qumicas usadas para purificar el agua.

abastecimiento de agua a las ciudades.

III. OBJETIVOS GENERALES Y ESPECIFICOS

OBJETIVO GENERAL

Observar y comprender bajo qu condiciones se produce un salto hidrulico en el vertedero.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Determinar los elementos del salto hidrulico simple tales como tirantes conjugados y longitud del salto a travs de un vertedero.

Analizar los resultados tericos y prcticos obtenidos en el laboratorio.

IV. IMPORTACIA DE LA PRACTICA

Es de gran importancia conocer y comprender el procedimiento para obtener las caractersticas del salto hidrulico y la longitud de salto hidrulico en un vertedero ya que tiene muchas aplicaciones en la ingeniera hidrulica como en el diseo de las estructuras de control como vertederos, aliviadores y estructuras de cada, a menudo debe asegurarse de disipar el acceso de energa cintica que posee el flujo aguas abajo, que es de mucha importancia la longitud de la posa disipadora de energa, para evitar el socavamiento aguas abajo, que puede causar daos a la estructura. Esto se logra con unas estructuras conocidas como disipadores de energa y las cuales son muy comunes en las estructuras de control.

V. EQUIPOS Y MATERIALES

Canal Hidrulico de pendiente variable.

Compuerta Radial.

Agua

Nivel Carpintero.

Regla Metlica.

Aparato de Vernier.

Cronometro.

Balde graduado de 22 litros.

VI. PRINCIPIOS TEORICOS

En 1818, el italiano Bidone realizo las primeras investigaciones experimentales del resalto hidrulico. Esto llev a Blanger en 1928 a diferenciar entre las pendientes suaves (subcrticas) y las empinadas (supercrticas), debido a que observo que en canales empinados a menudo se producan resaltos hidrulicos generados por barreras en el flujo uniforme original.

En un principio, la teora del resalto desarrollada corresponde a canales horizontales o ligeramente inclinados en los que el peso del agua dentro del resalto tiene muy poco efecto sobre su comportamiento y, por consiguiente, no se considera en el anlisis. Sin embargo los resultados obtenidos de este modo pueden aplicarse a la mayor parte de los canales encontrados en problemas de ingeniera. Paracanales con pendiente alta el efecto del peso del agua dentro del resalto puede ser tan significativo que debe incluirse en el anlisis.

En el diseo de las estructuras de control como vertederos, aliviadores y estructuras de cada, a menudo debe asegurarse de disipar el acceso de energa cintica que posee el flujo aguas abajo. Esto se logra con unas estructuras conocidas como disipadores de energa y las cuales son muy comunes en las estructuras de control.

El mtodo ms utilizado es inducir en el flujo una gran turbulencia por medio de cambios repentinos tanto en direccin como en expansin, como sucede con el resalto hidrulico (salto hidrulico), el cual es muy efectivo en la disipacin de energa y convierte el flujo supercrtico en subcrtico. Veremos brevemente las propiedades ms importantes del salto hidrulico.

Consideremos un tramo de un caudal el cual posee dos controles tanto en la parte superior como inferior: un aliviadero en la parte superior y una compuerta en la inferior.

El vertedero o aliviadero produce flujo supercrtico al final de l y la compuerta se produce flujo subcrtico antes de ella; el resultado es un conflicto entre la influencia de los dos controles: uno de los cuales busca imponer flujo supercrtico y otro flujo subcrtico en el tramo de caudal dentro de ellos. Este conflicto se puede resolver nicamente si el flujo pasa de rgimen supercrtico a subcrtico, y este paso no puede ser suave ya que el flujo ocurre de una baja elevacin a una mayor. Evidencia experimental muestra que el flujo puede transformarse de supercrtico a subcrtico en forma abrupta por medio de un salto hidrulico; este cambio est acompaado de considerable turbulencia y disipacin de energa.

Dado que las prdidas de energa en el salto hidrulico no son conocidas de antemano, este es un caso donde no es posible aplicar la ecuacin de la energa, as que tomamos el recurso de usar la ecuacin del momento. Consideremos, entonces, la situacin general mostrada en la figura siguiente en la cual puede o no haber prdidas de energa entre las secciones 1 y 2 y puede o no haber un obstculo sobre el cual hay una fuerza de arrastre, Pf.

De acuerdo al principio delmomentum.

F1 F2 Pf= ( QV) ( QV)

Donde es la densidad del agua. Para un canal rectangular, es necesario considerar un ancho unitario. As que:

qV2 qV1= F1 F2 Pf=

Donde g es el peso especfico del agua. Reorganizando trminos.

Pf=

Haciendo la sustitucin, se tiene:

Para un salto hidrulico simple, Pf= 0 y la ecuacin anterior puede escribirse como:

Esto es:

Sustituyendo q = v1y1,

4.1

La cual es la bien conocida ecuacin del salto hidrulico, las profundidades del salto hidrulico agua arriba (y1) y agua abajo (y2) son llamados conjugados o secuentes la una de la otra. La ecuacin (4.1) es cuadrtica en Y2/ Y1 cuya solucin es dada por:

(4.2)

La ecuacin (4.2) puede usarse para calcular la profundidad (Y2) aguas abajo del resalto hidrulico cuando las condiciones aguas arriba son conocidas, consecuentemente es posible calcular la profundidad aguas arriba (Y1) cuando las condiciones aguas abajo son conocidas, mediante la siguiente expresin,

(4.3)

Es importante observar que el flujo despus del salto hidrulico es subcrtico y entonces est sujeto a un control adicional aguas abajo. Entonces la profundidad aguas abajo es causada no por las condiciones aguas arriba sino por algn control actuando adicionalmente aguas abajo. Si este control produce la profundidad requerida Y2, un salto se formar; de otra manera no. Los estanques disipadores (o amortiguadores) y otras estructuras disipadoras utilizan esta propiedad para crear un resalto hidrulico y disipar la energa en exceso en el salto.

Las caractersticas deseables en las estructuras disipadoras de energa (estanques o pozos amortiguadores) son aquellas que tienden a:

Promover la formacin de un resalto hidrulico dando condiciones adecuadas aguas abajo.

Establecer una condicin de un resalto hidrulico estable

Establecer su resalto hidrulico tan corto como sea posible.

La estabilidad y longitud del salto hidrulico vara de acuerdo a las condiciones aguas arriba y es funcin del nmero de Froude (Fr1).

Longitud del salto

La longitud del salto ha recibido gran atencin de los investigadores, pero hasta ahora no se ha desarrollado un procedimiento satisfactorio para su clculo. Se acepta comnmente que la longitud L del salto se defina como la distancia medida entre la seccin de inicio y la seccin inmediatamente aguas abajo en que termina la zona turbulenta.

Un salto hidrulico se formar en el canal si el nmero Froude F1 del flujo, la profundidad del flujo y1 aguas arriba, y una profundidad aguas abajo y2 satisfacen la ecuacin:

La longitud del salto se puede determinar por las siguientes expresiones:

1. Para Canales Rectangulares.

(Pavlovski)

(Chertonsov)

(Aivazion)

Tipos de salto hidrulico

Los saltos hidrulicos se pueden clasificar, de acuerdo con el U.S. Bureau of Reclamation en funcin del nmero de Froude del flujo.

Caractersticas bsicas del salto hidrulico

Las principales caractersticas de los saltos hidrulicos en canales rectangulares horizontales son:

Prdida de energa

La prdida de energa en el salto es igual a la diferencia en energa especfica antes y despus del salto. Se puede mostrar que la prdida es:

a).- Para el salto hidrulico simple:

b).- Para el salto hidrulico forzado:

Eficiencia

La relacin de la energa especfica despus del salto a aquella antes del salto se define como eficiencia del salto. Se puede mostrar que la eficiencia del salto es:

Esta ecuacin indica que la eficiencia de un salto es una funcin adimensional, dependiendo solamente del nmero de Froude del flujo antes del salto.

VII. DASARROLLO DE LABORATORIO

A. MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADO

1. Agua

1. Una cinta mtrica de 3 mts de longitud

1. Vernier

1. Regla Metlica de 40 cm.

1. Vertedero.

1. Compuerta.

1. 1 cronometro

1. Una bomba hidrulica de 2HP y 3HP

1. 1 Canal rectangular

Detalles del canal

1. Longitud total: 6 m

1. Longitud Prctica: 1.5 m

1. Ancho de canal: 23.5cm

1. Altura total de canal:30 cm

B. EXPLICACION DEL TRABAJO REALIZADO EN EL LABORATORIO

Se encendi la bomba que alimenta el canal

Se abri la vlvula de pase, dando lugar a la circulacin del caudal sobre el canal.

Se nivelo el canal de pendiente variado del laboratorio.

Se coloc en el canal el vertedero de tal forma que produzca un salto hidrulico simple, y se dej que se estabilizara el salto.

Se midi los tirantes del flujo antes y despus del salto

Se midi la longitud del flujo antes y despus del salto

Se determin el caudal real.

Se aplic vueltas al mecanismo regulador de pendiente para tener flujo supercrtico.

Este procedimiento se realiz para cada uno de los resaltos: ahogado, normal, corrido.

VIII. CALCULOS y RESULTADOS

IX. CONCLUSIONES

Comparando la longitudes terica calculada con las ecuaciones de (Pavlovski, Chertonsov, Avivazion) con la obtenida en laboratorio se observa que hay grandes diferencias incluso entre las mismas longitudes tericas por lo cual podemos concluir que la distancia medida entre la seccin de inicio y la seccin inmediatamente aguas abajo en que termina la zona turbulenta es difcil de apreciar y de obtener un valor exacto. Frmulas utilizadas no ofrecen exactitud y precisin satisfactoria.

Los valores de los tirantes conjugados tericos son mayores que los experimentales en todos los ensayos realizados las profundidades del salto hidrulico agua arriba (y1) y agua abajo (y2) son llamados tirantes conjugados.

X. RECOMENDACIONES

Se recomienda trabajar en equipo y de manera ordenada para poder obtener resultados reales y de manera ms ptima.

La designacin de labor a cada uno de los integrantes de grupo nos ayuda a trabajar de manera eficaz con la prctica.

XI. BIBLIOGRAFIA

Guas De Laboratorio De Hidrulica II. Departamento De Hidrulica. UNI.

Cuaderno de anotaciones Hidrulica II.

V.L.Streeter - Mecnica De Los Fluidos

Hidrulica de Canales Abiertos. Richard H. French. Edicin I. McGraw Hill de Mxico. 1988.

XII. Anexos

INGENIERIA HIDRAULICA II

RESALTO HIDRULICO EN VERTEDERO

(

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