LABORATORIO HIDRAULICA DE SUPERFICIE LIBRE

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ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERÍA JULIO GARAVITO

LABORATORIO HIDRAULICA DE SUPERFICIE LIBRE

SEGUNDO SEMESTRE 2021

TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCIÓN        3

OBJETIVOS        3

Objetivo general        3

Objetivos específicos        3

MARCO TEÓRICO        4

INSTRUMENTOS Y EQUIPOS        10

ESQUEMA DE INSTALACIÓN        12

PROCEDIMIENTO        13

CÁLCULOS DEL FENÓMENO FÍSICO ESTUDIADO.        13

Cálculos para el perfil M2        13

Cálculos para el perfil S1        16

CONCLUSIONES        19

BIBLIOGRAFÍA        20

INTRODUCCIÓN

Un flujo gradualmente variado se define como un flujo permanente y no uniforme que sufre variaciones relativamente leves de la profundidad de la lámina de agua en pequeñas distancias, producidas por el rozamiento del fluido con los contornos sólidos del canal. El problema principal del flujo gradualmente variado corresponde a la predicción del perfil de la superficie libre cuando descarga libremente o cuando el flujo es controlado en un determinado punto.

Se puede establecer que un canal puede tener pendiente subcrítica, crítica y supercrítica según el flujo que se desarrolle; Se podrá establecer si el flujo es acelerado o retardado según el comportamiento de la velocidad y la profundidad de la lámina; Así mismo se determinará si el flujo es subnormal, normal o supernormal según la pendiente de fricción y la pendiente del canal, utilizando la fórmula de Manning o la de Chezy; por último se determina si el flujo es subcrítico, crítico o supercrítico teniendo en cuenta la descarga crítica. Se debe tener en cuenta que para la clasificación de los perfiles es conveniente establecer regiones de flujo según la pendiente. Se producirán los perfiles de flujo M, S, C, H, y A en un canal de pendiente variable y sección rectangular.

Para el desarrollo de la práctica se hará circular un caudal de pendiente variable con el fin de reproducir los diferentes perfiles de flujo y desarrollar la ecuación diferencial del flujo gradualmente variado, haciendo los respectivos esquemas de los posibles perfiles de flujo.

OBJETIVOS

Objetivo general

Conocer con seguridad las magnitudes de la lámina de agua a lo largo del canal donde se desarrolla el Flujo Gradualmente Variado.

Objetivos específicos

• Calcular la profundidad critica.
• Estimar el coeficiente de rugosidad de Manning.
• Hacer y explicar los diferentes perfiles de flujo.

MARCO TEÓRICO

El flujo variado en un canal prismático puede clasificarse para dar alguna percepción sobre la forma general del perfil de la superficie del agua (PSA).

Pendientes subcrítica, crítica y supercrítica

Si  representa la profundidad normal y  la profundidad crítica, se pueden establecer las siguientes consideraciones:[pic 3][pic 4]

• Si > la pendiente del canal puede ser suave o moderada y <[pic 5][pic 6][pic 7][pic 8]
• Si > la pendiente del canal puede ser horizontal y <[pic 9][pic 10][pic 11][pic 12]
• Si > la pendiente del canal puede ser adversa y <[pic 13][pic 14][pic 15][pic 16]
• Si  la pendiente del canal es fuerte o supercrítica y [pic 17][pic 18]
• Si la pendiente del canal es crítica y [pic 19][pic 20]

Flujos acelerados o retardados

Flujo retardado → La velocidad se reduce y la profundidad de lámina de agua aumenta.

Flujo acelerado → La velocidad aumenta y la profundidad de lámina de agua disminuye.

Flujos subnormal, normal y supernormal

Los flujos con una profundidad dada en un canal pueden clasificarse como subnormales, normales o supernormales si la pendiente de fricción es menor, igual o mayor que la pendiente del fondo del canal  respectivamente.[pic 21][pic 22]

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Ilustración 1. Comportamiento con respecto a la profundidad critica de flujos subnormales y supernormales.

Flujos subcríticos, críticos y supercríticos

Un flujo con una profundidad dada es subcrítico, crítico o supercrítico, si para la respectiva descarga su valor es menor que, igual a, o mayor que la descarga crítica correspondiente a esa profundidad. La descarga crítica correspondiente a una profundidad del flujo está dada por la expresión:

Donde:

• A: área mojada.
• T: Ancho de la superficie libre.

Si NF<1 el flujo es subcrítico y si NF>1 el flujo será supercrítico.

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Ilustración 2. Clasificación y tipos de flujos gradualmente variados.

Ecuación general del flujo gradualmente variado

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Ilustración 3. Desarrollo de la profundidad crítica en un cambio de pendiente.

Tipos de pendiente y regiones para flujo gradualmente variado

En un canal en el que se desarrolla un flujo gradualmente variado, la pendiente del fondo, comparada con la pendiente crítica, puede ser subcrítica, supercrítica, horizontal, adversa o contrapendiente.

En el caso de un canal con pendiente subcrítica, en el que la profundidad normal  es mayor que la profundidad crítica   se pueden establecer tres regiones de flujo:[pic 38][pic 39]

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Ilustración 4. Regiones de flujo en un canal con pendiente subcrítica.

En el caso de un canal con pendiente supercrítica, en el que la profundidad crítica  es mayor que la profundidad  se pueden establecer tres regiones de flujo.[pic 41][pic 42]

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Ilustración 5. Regiones de flujo en un canal con pendiente supercrítica.

En el caso de un canal con pendiente horizontal o adversa, en la que la profundidad normal  tiende a infinito, solo se pueden establecer dos regiones de flujo.[pic 44]

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Ilustración 6. Regiones de flujo en un canal con pendiente horizontal o adversa.

En el caso de un canal con pendiente crítica, donde el flujo es uniforme y, por lo tanto , solo se establecerán dos regiones[pic 46]

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Ilustración 7. Regiones de flujo en un canal con pendiente crítica.

Clasificación de los perfiles de flujo gradualmente variado

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Ilustración 8. Clasificación y características de los perfiles de flujo gradualmente variado.

INSTRUMENTOS Y EQUIPOS

Medidor de aguja:

• Precisión: 1/20 mm.
• Capacidad: 20 cm.

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Ilustración 9. Medidor de aguja. Fuente: Tomado del laboratorio de hidráulica de la Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito.

Flexómetro:

• Precisión: 1 mm.
• Capacidad: 3 m.

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Ilustración 10. Flexómetro. Tomado de: https://http2.mlstatic.com/D_NQ_NP_624865-MCO41951065427_052020-V.jpg

Caudalímetro:

• Precisión: 0,01 l/s.
• Capacidad: 10 l/s.

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Ilustración 11. Caudalímetro. Fuente: Tomado del laboratorio de hidráulica de la Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito.

ESQUEMA DE INSTALACIÓN

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Ilustración 12. Canal de pendiente variable. Laboratorio de hidráulica de la ECI.

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Ilustración 13. Sección transversal de canal de pendiente variable. Dimensiones efectivas. Laboratorio de hidráulica de la ECI.

PROCEDIMIENTO

1. Establecer un caudal en el canal de pendiente variable y determinar su magnitud mediante el vertedero triangular.
2. Calcular la profundidad critica.
3. Estimar el coeficiente de rugosidad de Manning del canal y determinar la pendiente critica.
4. Iniciar la reproducción de los diferentes perfiles de flujo: M, S, H y A. es necesario explicar detalladamente la ubicación y características de los controles colocados, si se colocaron, para la generación de cada perfil, se recomienda, en el análisis, indicar valores de las profundidades de la lámina de agua y de la pendiente de la superficie del agua, dy/dx (positiva o negativa), a lo largo del canal.
5. Una vez reproducidos y explicados todos los perfiles, el profesor definirá unos controles y algunas condiciones de flujo, se deberá esquematizar y justificar los posibles perfiles de flujo y posteriormente verificados en el canal de pendiente variable.

CÁLCULOS DEL FENÓMENO FÍSICO ESTUDIADO.

Cálculos para el perfil M2

Partimos del análisis que se requiere, para determinar el tipo de perfil que manejaremos, de acuerdo con sus condiciones de pendiente y puntos de control de la Yn y la Yc. Para esto es importante hacer uso de las siguientes ecuaciones:

Recordando que:

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De acuerdo con la ecuación de Manning, se calcula la pendiente crítica, ya que tenemos el valor del Yc.

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