FLUJO RÁPIDAMENTE VARIADO Y GRADUALMENTE VARIADO

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

Departamento Académico de Hidráulica e Hidrología

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INFORME DE LABORATORIO N°2

FLUJO RÁPIDAMENTE VARIADO Y GRADUALMENTE VARIADO

CURSO

MECÁNICA DE FLUIDOS II                HH224J

 ESTUDIANTES

CÓRDOVA AYLLÓN, IVÁN FERNANDO        20162593A

HUAMÁN CUYUBAMBA, ADRIÁN ÁNGEL        20071224C

DOCENTES

MSc. Ing. Cabrera Cabrera, Juan Walter

Ing. Córdova Julca, Guillermo Arturo

15 de julio, 2022

2022-I

ÍNDICE

Capítulo 1        RESUMEN        3

Capítulo 2        INTRODUCCIÓN        4

Capítulo 3        OBJETIVOS        5

Objetivos Generales        5

a.        Flujo Rápidamente Variado        5

b.        Flujo Gradualmente Variado        5

Objetivos Específicos        5

Capítulo 4        MARCO TEÓRICO        6

Flujo rápidamente variado        6

a.        Energía Específica        6

b.        Fuerza específica o momenta        8

c.        Número de Froude        11

d.        Vertederos triangulares        11

Flujo Uniforme y Flujo Gradualmente Variado en Canales        12

a.        Flujo Uniforme        12

b.        Coeficiente de Rugosidad Compuesta (nc, Cc)        14

c.        Ecuación de flujo gradualmente variado        16

Capítulo 5        MATERIALES Y EQUIPOS        17

Capítulo 6        PROCEDIMIENTO DEL EXPERIMENTO        20

Procedimiento del Experimento para Flujo Rápidamente Variado        20

Procedimiento del Experimento para Flujo Gradualmente Variado        20

Capítulo 7        CUESTIONARIO Y RESULTADOS        22

Cuestionario de Flujo Rápidamente Variado        22

Cuestionario del Flujo Gradualmente Variado        23

Capítulo 8        CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES        24

Capítulo 9        REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS        25

Capítulo 10        ANEXOS        25

1. RESUMEN

1. INTRODUCCIÓN

El flujo es rápidamente variado si la profundidad del agua cambia de manera abrupta a distancias comparativamente cortas. Las causas que producen el flujo rápidamente variado pueden ser diversas, entre ellas pueden mencionarse cambios en la sección geométrica, cambios de la pendiente, cambios en la rugosidad de las paredes y/o fondos, curvas horizontales en el trazo, obstrucciones del área hidráulica, etc.

El salto hidráulico es un fenómeno local, que se presenta en el flujo rápidamente variado, el cual va siempre acompañado por un aumento súbito del tirante y una pérdida de energía bastante considerable, en un tramo relativamente corto. Ocurre en el paso brusco de régimen supercrítico (rápido) a régimen subcrítico (lento), es decir, en el resalto hidráulico el tirante, en un corto tramo, cambia de un valor inferior a otro superior a este.

Por otro lado, el movimiento gradualmente variado, es un flujo permanente, cuya profundidad o tirante varía suavemente a lo largo del eje de un canal. En consecuencia, la velocidad varía de una sección a otra. A diferencia de un movimiento uniforme que las pendientes al fondo, de la superficie libre y de la línea de energía son iguales, en el movimiento gradualmente variado estas tres pendientes son diferentes.

El movimiento uniforme se da pocas veces en la naturaleza. No ocurre ni aún en los canales hechos por el hombre, en los que el flujo solo se aproxima al movimiento uniforme. Lo real es que a lo largo de una conducción abierta (canal) hay cambios de pendiente, sección, rugosidad y alineamiento que determinan la aparición de un movimiento, que siendo permanente no es uniforme. Es variado. En este informe examinaremos el caso particular del movimiento gradualmente variado

1. OBJETIVOS

Objetivos Generales

1. Flujo Rápidamente Variado

• Observar el flujo de agua en canales, identificando las condiciones de Entrada del agua al canal y los diferentes regímenes y tipos de flujo que se pueden presentar en el canal.
• Identificar las características de un salto hidráulico.
• Verificar las ecuaciones teóricas relativas al salto hidráulico.

1. Flujo Gradualmente Variado

• Estudio experimental y analítico de un flujo uniforme y de un flujo gradualmente variado en régimen permanente.

Objetivos Específicos

• Responder el Cuestionario de Flujo Rápidamente Variado y el Cuestionario del Flujo Gradualmente Variado para así poder tener un mejor entendimiento del comportamiento y poder tener en cuenta algunas aplicaciones en la realidad.

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1. MARCO TEÓRICO

Flujo rápidamente variado

1. Energía Específica

La energía especifica en una sección cualquiera de un canal, se define como la energía por kg de agua referida al fondo de la canalización:

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En el caso de canal rectangular, el área mojada es A = by, entonces la energía específica en un canal rectangular es:

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Y si el caudal es constante, se podría expresar la anterior fórmula de la siguiente manera:

[pic 8]

Cuando el tirante de flujo se grafica en función de la energía específica, se obtiene una curva de dos ramas: AC y BC. Que se muestra en la figura: [pic 9][pic 10]

[pic 11]

La rama AC se aproxima al eje horizontal asintóticamente hacia la derecha.  La rama BC se aproxima asintóticamente a una línea que pasa por el origen y tiene un ángulo de inclinación de 45° a medida que avanza hacia la derecha.

Observando el gráfico vemos que es posible encontrar la misma energía E para diferentes alturas de presión (tirantes y1, y2), estableciéndose zonas perfectamente demarcadas:

El tramo AC es   caracterizado por velocidades grandes y tirantes pequeños.  Este corresponde al régimen supercrítico (F >1).

Y el tramo BC es caracterizado por velocidades pequeñas y tirantes grandes.  Este corresponde al régimen subcrítico (F < 1)

Si la energía específica es la misma para dos tirantes, estos tirantes se denominan tirantes alternos (y1 <yc, y2>yc).

En el punto C se cumple que y1 = y2 =yc (tirante crítico), y corresponde a la energía especifica mínima que ocurre solamente para el tirante crítico (yc), donde F=1.

Considerando el número adimensional de Froude para un canal rectangular (asumiendo α=1) [pic 12]

En la condición de flujo crítico se cumple que  y por tanto: [pic 13][pic 14]

Existe una línea recta que parte del origen y une todos los puntos críticos (F=1) correspondientes a distintos caudales, y para caudales unitarios o caudales por unidad de ancho.

Entonces el régimen de flujo se puede clasificar como:

Estado subcrítico         y > yc ;                F < 1        régimen tranquilo

Estado supercrítico        y <yc ;                F > 1         régimen rápido o torrencial

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