LABORATORIO DE HIDRÁULICA A SUPERFICIE LIBRE ENERGIA ESPECÍFICA

LABORATORIO DE HIDRÁULICA A SUPERFICIE LIBRE

ENERGIA ESPECÍFICA

[pic 1]

PRESENTADO POR:

DAVID SANTIAGO RODRÍGUEZ

JEISSON DUVAN ORTEGÓN

MANUEL FELIPE HINCAPIÉ

WILLIAM BARRERA RUIZ

PRESENTADO A:

ING.  ANDREA LISETH VASCO

ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERÍA JULIO GARAVITO

PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL

BOGOTÁ D.C, 28 DE MARZO DE 2019

CONTENIDO

Introducción        1

Objetivos        3

Listado de Instrumentos        4

Medidor de aguja        4

Canal rectangular.        4

Esquema        5

Marco teórico.        6

Curva de energía especifica        7

Ecuaciones        9

Procedimiento.        10

Datos obtenidos        11

Cálculos        14

Análisis        17

Conclusiones        21

Bibliografía        22

Introducción

En este informe se desea evaluar y analizar como es el comportamiento del flujo de agua a través de un canal superficial del laboratorio presentando cambios a lo largo del canal en su fondo y en la sección transversal (reducción), estas medidas se toman antes y después de que se cambien las condiciones del canal para tener un control del comportamiento del flujo, conocer el estado de flujo antes de presentarse cambios y el estado después de los obstáculos puestos en este sistema, al cambiar las condiciones de flujo y con teorías de energía especifica se puede caracterizar en cada punto deseado los valores de cada componente que conforma este canal, si obtenemos los valores de profundidad y energía en todo el sistema es posible graficar estas variables para reconocer mejor los valores en cualquier punto que se desee saber de forma más específica.

La energía especifica por estar en función de varias variables hace su cálculo un poco complejo, para obtener valores de energía especifica es necesario relacionar la velocidad del flujo, así como la geometría del canal que recorre y adicionalmente es necesario conocer la profundidad de la lámina de agua que se presenta a lo largo del canal,  es por esto que hace un poco más favorable obtener diagramas que relacionan la profundidad del agua frente a la cabeza de velocidad que presentan las corrientes de agua.

Estos canales de laboratorio son prototipos creados para estudiar de manera más específica los canales abiertos a superficie libre que se presentan comúnmente en muchos sistemas para el conducto de agua en el mundo, unos artificiales creados por el hombre para el funcionamiento óptimo de este recurso y otros que se presentan de forma natural en el mundo.

Es importante conocer las condiciones de flujo en estos sistemas para detectar características fundamentales en el propósito que se requiera, estas condiciones de flujo pueden ser subcriticos, críticos o supercríticos cada uno con condiciones diferentes y comportamientos que deben ser evaluados para su posterior tratamiento.

Objetivos

Objetivo general.

• Estudiar el comportamiento del canal respecto a su energía especifica con un cambio de sección del canal y una reducción en el ancho.

Objetivos específicos.

• Entender el comportamiento de la lámina de agua, así como la magnitud de la energía según los cambios que se presenten alterando el canal.
• Por medio de graficas comprender como varía la línea de energía especifica variando el canal.
• Identificar las condiciones de flujo antes y después de los cambios que ocurren en el canal.

Listado de Instrumentos

Medidor de aguja

• Precisión: 0.005 cm o (1/200) cm
• Uso: medición de alturas del flujo dentro del canal.

[pic 2]

Figura 1. Medidor de aguja.

Fuente: Propia, 2019.

Canal rectangular.

• Uso: transporta caudal por sección definida, con pendiente constante.

[pic 3]

Figura 2. Canal rectangular.

Fuente: Propia, 2019

Obstáculos del canal (rectangular, reducción).

Esquema

[pic 4][pic 5]

Figura 4. Esquema de instalación

Fuente: Propia, 2019.

Marco teórico.

Ecuación de energía total  

Para canales de pendiente (θ>6°),

[pic 6]

Para canales de pendiente pequeña (θ=0°, α =1)

[pic 7]

Ecuación de energía especifica.

Se define como la energía por libra de agua en cualquier sección de un canal medida con respecto al fondo, tomando un punto de referencia tomamos como z=0

Para canales de pendiente (θ>6°)

[pic 8]

Para canales de pendiente pequeña (θ=0°, α =1)

[pic 9]

y =altura del fluido medida desde el fondo del canal

v = velocidad de fluido

g = gravedad

la energía especifica será igual a la suma de la profundidad del agua más la cabeza de velocidad. Decimos que para pendientes pequeñas la velocidad la podemos expresar según su caudal, como V=Q/A

[pic 10]

Q = caudal transportado en el canal

A = Área mojada

g = gravedad

y = altura del fluido medida desde el fondo del canal

Puede verse que, para una sección de canal y un caudal Q determinados, la energía específica en una sección de canal solo es función de la profundidad del flujo.

Cuando la profundidad de flujo se grafica contra la energía específica para una sección de canal y un caudal determinados, se obtiene una curva de energía especifica.

Curva de energía especifica

Cuando se grafica la profundidad contra la fuerza específica para una sección de canal y caudal determinados se obtiene la curva de energía especifica (figura 2) que consta de dos ramas, AC y BC. La rama BC aumenta hacia la derecha indefinidamente cuanto mayor sea la profundidad de la lámina de agua y la rama AC se aproxima asintóticamente al eje horizontal cuando el caudal se transporta con profundidades cada vez más pequeñas.

Para un determinado valor de fuerza específica se tienen dos profundidades distintas (Y1 y Y2) que constituyen los valores iniciales y finales para un resalto hidráulico. En el punto C se encuentra la energía específica mínima donde la altura corresponde a la profundidad crítica del flujo.

El valor mínimo de energía en el punto C se determina derivando la ecuación general de fuerza específica (ecuación 4) con respecto a y, por lo tanto:

[pic 11]

Donde se supone que  y por lo tanto  entonces:[pic 12][pic 13]

[pic 14]

Además, como ,  y  la ecuación 6 se reduce a:[pic 15][pic 16][pic 17]

[pic 18]

La ecuación 7 corresponde al criterio para el estado de flujo crítico, por lo tanto, para la profundidad crítica la energía específica es mínima para un caudal determinado. 

[pic 19]

Figura 6. Curva de energía específica (a), sección del canal (b) y curva fuerza específica (c)

Fuente: Libro hidráulica experimental Alfonso Rodríguez Díaz.

Ecuaciones

...