Informe De Laboratorio

INFORME DE LABORATORIO HIDRÁULICA

ESTUDIO Y PATRONAMIENTO DE VERTEDEROS

PRESENTADO A: ING. ÁLVARO VILLOTA

PRESENTADO POR:

UNIVERSIDAD DE NARIÑO FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL AGOSTO 2019

TABLA DE CONTENIDO 1- INTRODUCCIÓN. 2- OBJETIVOS. 3- FUNDAMENTO TEÓRICO. 3.1- VERTEDERO 3.2- CLASIFICACIÓN DE LOS VERTEDEROS 3.2.1- SEGÚN SU FORMA GEOMÉTRICA 3.2.1 - VERTEDEROS TRAPEZOIDALES 4- MATERIALES Y EQUIPOS. 5- DESARROLLO DEL EXPERIMENTO. 6- PRESENTACIÓN DE DATOS. 7- CÁLCULOS. 8- RESULTADOS. 9- CONCLUSIONES. 10- REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.

1. INTRODUCCIÓN El líquido que fluye en los canales tiene una superficie libre y sobre el no actúa otra presión que la debía a su propio peso y a la presión atmosférica. El flujo en canales abiertos también tiene lugar en la naturaleza, como en ríos, quebradas, arroyos etc. En general con secciones rectas de causes irregulares.

De forma artificial creadas por el hombre tienen lugar los canales, acequias y canales de desagüé, en la mayoría de los casos los canales tienen secciones rectas regulares y suelen ser rectangulares, trapezoidales y triangulares. El propósito en la práctica de laboratorio fue determinar el flujo en los canales de forma trapezoidal y triangular además de realizar otras mediciones como la superficie libre, la profundidad teniendo en cuenta la velocidad y tiempo. 2. OBJETIVOS    

Desarrollar el estudio teórico de los vertederos como estructuras hidráulicas para medición de caudales. Obtener la curva de patronamiento experimental. Obtener la curva de patronamiento teórico experimental. A partir de la obtención de las constantes establecidas, definir la ecuación de patronamiento experimental, con base en esta dibujar la respectiva curva de patronamiento. 3. FUNDAMENTO TEÓRICO

3.1. VERTEDERO Un vertedero es un dique o pared que presenta una escotadura de forma regular, a través de la cual fluye una corriente líquida. El vertedero intercepta la corriente, causando una elevación del nivel aguas arriba, y se emplea para controlar niveles (vertederos de rebose) y/o para medir caudales (vertederos de medida). La arista o superficie más elevada del vertedero, que está en contacto con el agua, se llama cresta. La altura h de la lámina de fluido sobre la cresta, responsable de la descarga, se llama cabeza o carga del vertedero. El flujo a través del vertedero tiene su motor en la fuerza de gravedad y el uso frecuente de los vertederos de pared delgada, como aforadores, se debe a que son estructuras de construcción sencilla y, principalmente, por la facilidad de determinar, con bastante aproximación, el caudal del flujo en un canal, a partir de la carga del vertedero, h. Un vertedero es un muro o una barrera que se interpone al flujo, causando sobre-elevación del nivel de la lámina aguas arriba y disminución aguas abajo, Figura 3.1. Las principales funciones de los vertederos son:   

Control de nivel en embalses, canales, depósitos, estanques, etc. O Aforo o medición de caudales, o elevar el nivel del agua. Evacuación de crecientes o derivación de un determinado caudal.

Figura 3.1. Vertedero de cresta delgada. Los vertederos son estructuras utilizadas frecuentemente para la medición de caudales; sin embargo, cuando se instalan en corrientes naturales tienen la desventaja que se colmatan de sedimentos. Las variables básicas Q y H siguen un modelo matemático dado por la ecuación de patronamiento.

Q = K.H m (ec. 3.1) Donde: Q: Caudal. K: Constante de calibración. H: Carga hidráulica con relación a la cresta del vertedor. m: Exponente. Para determinar el caudal que pasa a través del vertedero se aplica la ecuación de la energía entre 1 y 2 (Figura 3.2), considerando algunas suposiciones básicas, entre ellas:    

Distribución hidrostática de presiones. Las pérdidas por fricción y locales entre 1 y 2 son despreciables. La tensión superficial es despreciable. El flujo aguas abajo de la estructura (vena) debe ser libre (no ahogado) para garantizar que la presión en la vena sea la atmosférica (chorro libre).

3.2. CLASIFICACIÓN DE LOS VERTEDEROS 3.2.1. Según su forma geométrica 3.2.1- Vertederos Trapezoidales Este vertedero ha sido diseñado con el fin de disminuir el efecto de las contracciones que se presentan en un vertedero rectangular contraído.

Figura 3.5

Vertedero trapezoidal.

(ec. 3.9)

Cd1 Cd2 L m

: coeficiente de descarga para el vertedero rectangular con contracciones. : coeficiente de descarga para el vertedero triangular. : longitud de la cresta. : ángulo de inclinación de los lados respecto a la vertical. : inclinación lateral

La ecuación anterior puede transformarse así:

(ec. 3.10) Cuando la inclinación de los taludes laterales es de 4V:1H, el vertedero recibe el nombre de Cipolleti en honor a su inventor. La geometría de este vertedero ha sido obtenida de manera que las ampliaciones laterales compensen el caudal disminuido por las contracciones de un vertedero rectangular con iguales longitud de cresta y carga de agua. Sotelo (1982) afirma que el término entre paréntesis de la ecuación (II.10) es de 0.63 lo que conduce a la siguiente ecuación de patronamiento, en sistema M.K.S:

Q = 1.861*L*H3/2 La ecuación (II.11) es válida si

4. MATERIALES Y EQUIPOS  Circuito cerrado de bombeo.

(ec. 3.11)

     

Canal y tanque de almacenamiento de agua con descarga libre. Vertedero, (trapezoidal) Recipiente de aforo. Cronómetro digital. Calibrador pie de Rey. Reglas

EQUIPO DE LABORATORIO

DESARROLLO DEL EXPERIMENTO

Es importante que antes de desarrollar este laboratorio, el laboratorista nos halla formulado preguntas las cuales se miraron en la teoría y que a la hora de hacer el experimento son necesarios como conocer si los vertederos son de pared delgada o gruesa, tipo de vertedero según su forma geométrica entre otros esto hace de que la parte teórica se afiance mas junto con la experimental. Ya después de esta breve introducción al desarrollo del experimento se procede en su realización. La pendiente del caudal para el ensayo de laboratorio debe ser de 5°, en este caso está pendiente ya había sido configurada de modo que no hubo necesidad de ajustar el equipo. Después se tomaron medidas del vertedero como sus base mayor y menor sus alturas, se procedió a instalarlo con mucho cuidado y detalle.

Luego se encendió la bomba para liberar el agua, luego de esto se estabilizo el flujo para después aforarlo, una vez hecho esto se tomó lectura del tirante por medio de un piezómetro que se encuentra en el costado del canal. Se cambió de flujo 3 veces más y se repitió el proceso. El ensayo se realizó con un vertedero trapezoidal, cada uno a diferentes alturas o cargas (H). y se tomo lo tiempo de aforado para cada una de las cargas con los diferentes tiempos registrados se toma un promedio en el proceso analítico.

VERTEDERO TRAPEZOIDAL

PRESENTACIÓN DE DATOS

CARGA H (m)

VOLUMEN (litros)

0.021

1

0.032

1

0.038

1

0.048

4

0.056

4

VERTEDERO TRAPEZOIDAL VOLUMEN CAUDAL CAUDAL PROMEDIO TIEMPO (s) (m3) (m3/s) Qr (m3/s) 5.73 0.00017452 0.001 0.000173914 5.76 0.00017361 5.76 0.00017361 2.27 0.00044053 0.001 0.000431764 2.32 0.00043103 2.36 0.00042373 1.50 0.00066667 0.001 0.000662271 1.52 0.00065789 1.51 0.00066225 3.53 0.00113314 0.004 0.001155228 3.40 0.00117647 3.46 0.00115607 2.22 0.0018018 0.004 0.001772813 2.26 0.00176991 2.29 0.00174672

CÁLCULOS PARA VERTEDERO TRAPEZOIDAL Base Mayor: 7,3cm Base menor: 4,3cm 1. Obtención de K y m mediante la ecuación, conseguida desde la línea de tendencia

Caudal (m^3/s)

VERTEDERO TRAPEZOIDAL 0.002 0.0018 0.0016 0.0014 0.0012 0.001 0.0008 0.0006 0.0004 0.0002 0

y = 1.5074x2.3569 R² = 0.998 0

0.01

0.02

Carga 0.03(m)

0.04

0.05

0.06

K = 1,5074 M = 2,3569 2. Coeficiente de descarga experimental (Cd): Cd= 0,63 Según F.J. Dominguez, Cipottelli encontró experimentalmente que Cd= 0,63 para la ecuación de vertederos rectangulares, con la cual se obtiene una formula empírica para un vertedero trapezoidal (Cipottelli): 3. Caudal (Q):

g: Gravedad b: Base del canal (m) h: Carga (m)

8. RESULTADOS PARA EL VERTEDERO TRAPEZOIDAL Ecuación de Patronamiento: Q = 1,5054*h2,3569 VERTEDERO TRAPEZOIDAL (Cipolleti) CARGA (m) 0.021 0.032 0.038 0.048 0.056

K m Cd CAUDAL Q EXPERIMENTAL EXPERIMENTAL EXPERIMENTAL (m3/s) 1.5074 1.5074 1.5074 1.5074 1.5074

2.3569 2.3569 2.3569 2.3569 2.3569

0.63 0.63 0.63 0.63 0.63

0.00016744 0.00045187 0.00067752 0.00117502 0.00168979

PORCENTAJE DE ERROR CAUDAL TEÓRICO 0.000167443 0.000451873 0.000677517 0.001175022 0.001689791

CAUDAL EXPERIMENTAL 0.000173914 0.000431764 0.000662271 0.001155228 0.001772813

% DE ERROR 3.865 4.450 2.250 1.685 4.913

9. CONCLUSIONES 

El valor del Cd para el vertedero Trapezoidal después de hacerle el análisis numérico pertinente y se tiene que este encuentra en el rango permitido (menor a 1) por tanto podemos concluir que el laboratorio como el ajuste de datos para el caso del vertedero trapezoidal estuvo ajustado a errores de tipo humano a la toma de datos de tiempo en el aforo por esto encontramos que el laboratorio experimental estuvo bien desarrollado dentro de los márgenes de error.



Para el caso del vertedero se puede notar que hay una falla que afecta completamente el cálculo de la constante de calibración K y el exponente m, esto hace que afecte el coeficiente de descarga Cd directamente, dando resultados erróneos, el error pudo haber sido de medición, visual o de anotación, en todo caso esta parte del laboratorio debe rechazarse y en caso de necesitar esta información habría que realizar un nuevo ensayo.



La importancia de los vertederos, específicamente en los canales abiertos reside en que son dispositivos que permiten medir el flujo del caudal bajo ciertas condiciones. Son comúnmente usados por tiener un diseño simple y funcional, por lo tanto, son de fácil manejo y además de bajo costo.

10. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 1. GUIA LABORATORIO 7 ESTUDIO DEL COEFICIENTE DE FRICCION EN CANALES. 2. http://www.academia.edu/9302289/Fundamento_teorico_Estudio_del_coeficie nte_de_fricci%C3%B3n_en_canales 3. http://hidraulicaucentral.blogspot.com.co/2012/05/flujo-libre.html