Universidad Tecnica De Manabi: Vertedores Trapezoidales Uso De Laboratorio Virtual Multi H Virtual 3.0

UNIVERSIDAD TECNICA DE MANABI FACULTAD DE CIENCIAS MATEMATICAS, FISICAS Y QUIMICAS ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL HIDRAULICA APLICADA Y LABORATORIO II CURSO 6 “D” PROYECTO DE FIN DE CICLO TEMA: VERTEDORES TRAPEZOIDALES USO DE LABORATORIO VIRTUAL MULTI H VIRTUAL 3.0 NOMBRE:

DOCENTE: ING. EDGAR ANTONIO MENENDEZ PERIODO ACADEMICO ABRIL-AGOSTO 2019

VERTEDOR

PARAMETRO

Todos

Distancia vertedor-mira

dm

0.50

m

Todos

Elevación de la cresta (en la mira)

l0

0.45

m

Todos

Altura de la cresta (sobre el fondo)

P

0.45

m

Todos

Ancho del canal de acceso

bcanal 0.90

m

Todos

Espesor del bisel

e

1.00

mm

Todos

Temperatura del agua

T

26.2

0C

Rectangular Número de contracciones

n

Rect. y Trap. Longitud de la cresta

L

--0.30

m

Triangular

Ängulo del vértice



Trapecial

Talud de los lados

m

0.25:1

---

Área del tanque de aforo

AT

0.40

m2

Todos

0

OBJETIVOS    

Calcular la carga de agua sobre el vertedor (h) Determinar el gasto de circulación (Q) Comparar los resultados con los valores de gasto obtenidos experimentalmente Obtener una ecuación de gasto vs carga (Q vs H) para el vertedor analizado

GENERALIDADES Este tipo de obra es muy usual en los canales pequeños y medianos, en sistemas de regadíos y en canales de abastecimiento o desecho industrial, para hacer posible la realización de aforos frecuentes y rápidos. CONCEPTOS GENERALES VERTEDORES Se define como vertedor a un dispositivo hidráulico constituido por una escotadura, a través de la cual se hace circular el agua. Hidráulicamente es un orificio que no está totalmente ahogado por el nivel de aguas arriba, de manera que una parte del orificio está libre y no proporciona gasto alguno, o sea que equivale a un orificio sin el borde superior. La vena líquida que fluye a través del vertedor se llama capa o lámina.

Las finalidades de los vertedores pueden ser: Como dispositivos de aforo o elementos de calibración de aforadores en laboratorios hidráulicos. En la medición de caudales en conducciones libres, así como en obras de control o de excedencias. La terminología que comúnmente se usa para designar a los elementos técnicos que constituyen a un vertedor es:

Nota: La carga sobre el vertedor se mide por medio de una mira hidráulica que es una varilla metálica graduada y cuyo extremo, en contacto con el agua puede ser en forma de gancho o en forma de punta recta.

Los vertedores se clasifican de acuerdo a los siguientes factores:

NORMAS PARA LA INSTALACIÓN DE VERTEDORES Para obtener buenos resultados en las mediciones de los gastos con el uso de vertedores se deben seguir una serie de requisitos en su instalación, los cuales se detallan a continuación. En el caso de los vertedores rectangulares: 1. 1. Aguas arriba del vertedor, el canal deberá ser recto en una longitud mínima de 10 veces el largo de la cresta del vertedor. (10bv) 2. 2. El plano del vertedor debe ser perpendicular a la dirección del flujo, y la cara aguas arriba perfectamente plana y lisa. 3. 3. La cresta deberá nivelarse de manera que quede horizontal y recta. Conviene comprobar periódicamente la horizontalidad de la cresta y su referencia al cero de la escala de medición. . 4. 4. El espesor del bisel de la cresta en vertedores de cresta delgada, deberá ser menor de 2mm. 5. 5. En vertedores con baja velocidad de acceso, se procurará instalar el vertedor en un estanque largo y profundo con el fin de evitar velocidades de llegada mayores de 0.15 m/s. 6. 6. La altura de la cresta sobre el fondo del canal de llegada (P1) debe ser de por lo menos 2 veces la carga sobre la cresta, pero no menor de 0,30 m 7. 7. Tratándose de vertedores con contracciones laterales, la distancia entre los costados del canal de llegada y los costados del vertedor no será menor de 2 veces la carga sobre la cresta, ni menor de 0,30 m 8. 8. Construir los vertedores de manera que el aire circule libremente por debajo del manto. Para el caso de vertedores sin contracciones laterales se colocarán tubos de aereación laterales por debajo del manto de agua. 9. 9. La carga del vertedor se medirá en un punto aguas arriba del vertedor, en una longitud de aproximadamente 4 veces la carga máxima. (carga para el gasto máximo)

10. 10. Se inspeccionarán los vertedores una vez instalados, para ver que no se presenten fugas en la estructura. 11. 11. Evitar obstrucciones aguas arriba del vertedor, lo que implica conservación y limpieza. 12. 12. No emplear vertedores si la lámina esta sumergida. Nota: Cumpliendo con los requisitos anteriores puede esperarse obtener gastos con errores comprendidos entre el 2 y 3 por ciento. En otras condiciones podrán obtenerse gastos con errores que van del 5 al 15 por ciento y a veces más. VERTEDORES DE PARED DELGADA Los vertedores de pared delgada, también llamados de cresta aguda, tienen un perfil. Estos pueden ser construidos de diferentes materiales: acero, aluminio, bronce y plástico, de un espesor de pared que normalmente fluctúa entre los 6 y 10 mm. Las aristas del umbral deben ser biseladas ya que cualquier irregularidad puede ocasionar problemas en la precisión; requieren ser pintados con material anticorrosivo o alguna sustancia protectora que reduzca el inevitable deterioro de las aristas. Los vertedores también pueden ser con su parte superior cambiable, teniendo en cuenta que los tornillos no afecten el flujo aguas arriba. Este tipo de vertedor es aconsejable usarlo en los siguientes casos: 1. 1. Aguas limpias, sin objetos flotantes y garantizando un mantenimiento frecuente. 2. 2. Donde el vertimiento libre sea posible para todo el rango de gasto. 3. 3. En condiciones de trabajo donde la carga sobre el vertedor no sobrepase 0.6 metros. La lámina sobre los vertedores de pared delgada sufre severas contracciones, propia de la naturaleza de la restricción impuesta por el vertedor en su sección vertedora y por las características de estas obras en las cuales el vertimiento debe ser libre. Esto se traduce en que el nivel aguas abajo tienen que estar una cierta distancia por debajo del nivel más bajo del umbral vertedor.

Perfil de un vertedor con sus referencias. Las contracciones en estas obras están ubicadas a lo largo de dos direcciones: • • dirección vertical (superior e inferior ) • • dirección horizontal ( laterales ). La contracción superior esta siempre presente y para que la inferior se desarrolle bien, cada diseño tiene sus restricciones propias en cuanto al parámetro P1, al parámetro y2aab y a la demanda de aire que debe de ser suministrada para garantizar la presión atmosférica en la zona de aereación. En el caso de las contracciones laterales estas obras tienen dos posibilidades: • • Dejar que ambas contracciones se desarrollen sin límite alguno para lo cual el ancho de la sección vertedora y el ancho del canal que la contiene tienen que diferir en una cantidad igual o mayor que la mínima normada.

Tipos de contracción de la lámina vertiente • • Evitar que estas contracciones se presenten y entonces el ancho del canal que contiene la obra y la longitud vertedora son iguales. A estos dos casos se les denomina: 1. 1. Vertedores con contracción lateral. 2. 2. Vertedores sin contracción lateral. Por su parte la lámina vertiente representada por la carga sobre el vertedor ( h1 ) puede tener diferentes magnitudes y de esta forma se presentan las denominadas: • • lámina adherida • • lámina deprimida • • lámina libre • • lámina ahogada o sumergida El abastecimiento no adecuado del aire para la zona de aereación cuando se trabaja sin contracciones laterales crea dos efectos indeseables: • • Al crecer la presión de vacío aumenta el coeficiente de descarga debido al incremento de la contracción del chorro y la ecuación del gasto no refleja la realidad. • • Si el abasto de aire es irregular, entonces el chorro se convierte en una descarga impuramente variando cíclicamente la carga sobre la obra.

Parámetros En trabajos publicados por Howe en 1955 y referenciado por M.G. Bos, la demanda de aire por unidad de ancho del vertedor para una lámina libre aereada es:

donde: :es el gasto de aire que demanda el vertedor en m3/s/m de cresta vertedora. q :es el gasto unitario sobre el vertedor en m3 /s/m Si aguas abajo de la obra, como consecuencia de la energía de caída, se forma un salto hidráulico, esto es, sí: y ya aab Si el salto es ahogado, o si no se forma salto, entonces

Si el salto es libre, entonces

Se conoce como el Número de Caída a la relación:

Vertedores Trapeciales El gasto teórico de un vertedor trapecial se puede calcular suponiendo la suma del gasto correspondiente a uno rectangular con longitud de cresta L y al triangular formado por las dos orillas. Qt=Q1+Q2 Q1 = Gasto teórico del vertedor rectangular Q2 = Gasto teórico del vertedor triangular Qt = Gasto teórico del vertedor trapecial De los vertedores trapeciales el más utilizado es desarrollado por el italiano Cipolletti. Este tipo de vertedor tiene un talud en los lados de 0,25:1. Fue diseñado con ésta pendiente en los costados para compensar el gasto que deja de pasar por efecto de las contracciones laterales en un vertedor rectangular

Son obras de alta exactitud destinadas fundamentalmente a la medición de los gastos de agua en canales de secciones trapezoidales y con pocos sedimentos en el flujo

Fórmula de Cipolleti (1887) Descripción: Vertedor trapecial para ser colocado en canales de aproximación rectangulares o no. La inclinación del talud es de 1: 0.25. Fórmula:

Vertedor Cipolleti. En este vertedor el coeficiente de gasto viene dado como referencia al gasto teórico de un vertedor rectangular. Osea,

Fórmula de Ivanov. Vertedor trapecial con taludes 1:1.

Fórmula de Saniiri Vertedor trapecial con taludes -0.5:1.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Esquema de la instalación disponible en el laboratorio para realizar la calibración de vertedores de pared delgada. • Partes de las que consta • Se puede seleccionar un vertedor de la siguiente geometría

Los pasos que se recomienda seguir para la realización del experimento son los siguientes: 1. Seleccionar vertedor (Menú Principal). 2. Seleccionar la bomba. (clic derecho sobre la bomba y escoja de entre las tres opciones la deseada de acuerdo con el vertedor escogido para así poder evaluarlo). Este proceso de selección del equipo de bombeo puede conducirle a un análisis de la capacidad del vertedor seleccionado con la formula teórica y las fórmulas empíricas existentes para esta obra. 3. Selección del tanque de aforo. (clic derecho sobre el tanque de aforo y se escoge una de las tres opciones que se le aparecerán con áreas distintas del tanque). Esta selección debe de estar de acuerdo con la selección de la bomba de forma tal que los tiempos mínimos, leídos en el experimento, estén cerca de los treinta segundos. En todos los casos el tanque de aforo tiene 1 m de altura. 4. Abrir la válvula de escape de aire (Clic izquierdo). 5. Abrir la válvula de admisión (seleccionada en el icono correspondiente o dando clic izquierdo sobre ella por ejemplo de 4 a 6 clic izquierdo) 6. Esperar a que el chorro cambie de forma lo cual indicará que el aire del sistema se ha expulsado. En este momento cierre la válvula de escape de aire (clic derecho) 7. Se arranca la bomba (clic sobre ella o sobre el icono correspondiente y clic en el botón verde) 8. Se revisa que el tanque de aforo esté con la válvula abierta (clic y arrastre hacia abajo hasta oír el sonido característico) 9. Se accede a la mira, el piezómetro y el cronómetro (Opción Ver o iconos correspondientes) 10. Se cierra la válvula de admisión (Clic derecho tantas veces sea necesario para que el Q = 0 en función de la abertura dada en el paso 5) 11. Se abre la válvula de admisión n vueltas (n veces clic izquierdo) y se espera a que se estabilice el nivel aguas arriba. 12. Se lee el nivel y se anota su valor. Debe comprobarse con repetidas lecturas que el nivel de agua se ha estabilizado en un nivel constante (esto dura un cierto tiempo). La mira se divide cada 10 cm., en milímetros y tiene un nóneo que mide la décima de milímetro. Usted debe hacer la incidencia con el nivel del agua en la vista general de la mira (clic izquierdo sobre ella), y posteriormente precisar la coincidencia punta de mira-nivel de agua con el nóneo haciendo clic izquierdo sobre él para acceder a una imagen de mayor tamaño y por tanto de mayor exactitud 13. Se cierra la válvula del tanque de aforo (clic y arrastre hacia arriba hasta oír el sonido característico). 14. Se comprueba que el cronómetro esté en cero (t=0). Esperar a que el nivel de agua pase por una de las marcas del piezómetro (clic sobre el piezómetro para verlo maximizado) y en ese momento accionar el cronómetro hasta que el agua pase por otra de las marcas definidas en el piezómetro. La distancia entre ambas marcas por el área del tanque dará el volumen necesario para el cálculo del gasto.

Nota: Trate en todos los casos que el tiempo entre las dos lecturas se acerque o supere los 30 s. La válvula de admisión, está programada para abrirse totalmente en 32 pasos (32 clic en la zona izquierda de la válvula). Al comenzar el experimento se debe seleccionar cuantos puntos entre el gasto inicial (Q=0) y el gasto máximo se quiere medir y consecuentemente con esto abrir la válvula. 15. Debe abrirse la válvula del tanque antes que este se bote. 16. Repetir la medición del nivel y del tiempo al menos tres veces para cada gasto, antes de pasar al próximo punto de medición. 17. Ir llenando las tablas de cálculo que aparecen al pie de estas directrices accediendo a ellas a través del menú superior o del icono correspondiente.

TOMA DE DATOS

NO.

Tiempo de llenado (s)

Altura del agua en el tanque (m)

Obs.1

Obs.2

Obs.3

Lectura de la mira (m) Obs.1

Obs.2

Obs.3

15

1.0

85.27

85.31

85.24

0.491

0.491

0.491

19

1.0

67.82

67.80

67.77

0.499

0.499

0.499

28

1.0

45.54

45.55

45.41

0.513

0.513

0.513

CALCULOS Y RESULTADOS GIR OS

15 19 28

LE CT. MI RA 0,49 1 0,49 9 0,51 3

ELE V. CRE ST. 0,45 0,45 0,45

h

TIEM PO

A. TANQ UE

H. TANQ UE

V. TANQ UE

Q. VOL UM.

CIPOL LETI



0,0 41 0,0 49 0,0 63

85,27

0,4

1

0,4

0,0046 91 0,0059 00 0,0087 91

0,08327

1, 00 1, 00 1, 00

67,80 45,50

0,09252 0,10785

La gráfica de la ecuación de gasto volumétrico vs carga, el factor R2=1, aplicando una línea de tendencia polinómica de grado 2, podemos observar que la ecuación es exacta lo que quiere decir que la relación entre el Q volumétrico y h es correcta.

La gráfica de la ecuación de gasto de Cipolleti vs carga, el factor R2=1, aplicando una línea de tendencia polinómica de grado 2, podemos observar que la ecuación es exacta lo que quiere decir que la relación entre el Q Cipolleti y h es correcta.