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MECANICA DE FLUIDOS I 3° Laboratorio

COMPUERTAS Y MEDICIÓN DE CAUDAL CON VERTEDERO 1 OBJETIVO Utilizar los conceptos aprendidos dentro del curso de fluidos para analizar cómo se comporta el flujo alrededor del diseño escogido por el grupo en conformidad con su respectivo jefe de práctica.

2 FUNDAMENTO TEORICO 2.1 OBJETIVO DE LAS COMPUERTAS En este artículo se tratara sobre las compuertas que hacen parte de una presa y que pueden moverse parcial o completamente para dar paso al agua. Su instalación permite principalmente controlar el flujo, el nivel y desalojar materias flotantes en un embalse, mediante la graduación de un orificio. El mecanismo de regulación de una compuerta puede realizarse a mano, por fuerza motriz o simplemente por la misma presión del agua. A través de los años muchos tipos de compuertas han sido diseñadas y construidas, pero muy pocas de ellas han permanecido y se encuentran en este momento en uso. Aquellas que permanecen tienen la característica de ser: simples, fáciles de mantener, y económicas.

2.2 CLASIFICACION Existen dos sistemas principales de compuertas: 1. Compuertas apoyadas en sus dos extremos, trabajando estáticamente como una viga con dos apoyos. A este sistema pertenecen las compuertas cilíndricas, las compuertas planas y las compuertas radiales, compuertas deslizantes y compuertas de rodillos.

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MECANICA DE FLUIDOS I 3° Laboratorio 2. Compuertas giratorias que transmiten empuje hidrostático en toda su extensión. A éste sistema pertenecen las compuertas de aletas abatibles, las compuertas radiales, compuertas mariposa, compuertas taintor , compuertas de esclusa y compuertas drop leaf A continuación se tratara cada tipo de compuerta mencionada anteriormente (existen muchos tipos de compuerta aquí se hará la descripción de las usadas mas comúnmente). A) COMPUERTAS DESLIZANTES (SLIDE GATES) Consiste en una placa plana que se desliza a través de rieles mediante un motor. Figura1 Actualmente este tipo de compuerta tiene muchas aplicaciones como: control de flujo, proyectos de irrigación, sistemas de drenaje y proyectos de conservación de suelos. Su utilización es útil para alturas y luces reducidas. Los materiales utilizados para este tipo de compuerta son: Acero, Acero galvanizado (para instalaciones en las que se necesite una compuerta económica), Acero inoxidable (recomendada en condiciones de corrosión), Plástico reforzado con fibra de vidrio y sostenedores de aluminio (para condiciones extremas de corrosión).

Figura 1 B) COMPUERTAS DE RODILLOS (ROLLER GATES) Nombres como “stoney”, “tractor”, “caterpillar”, “coaster” han sido usadas para describir este tipo de compuerta.

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MECANICA DE FLUIDOS I 3° Laboratorio El término mas ampliamente usado es stoney gate y su nombre es un tributo a su inventor. Los demás nombres son simplemente usados para referirse a este tipo de compuerta ya que la terminología no describe las características de la compuerta. Consiste en una placa plana de acero reforzado con una estructura generalmente en celosía y rodillos en hierro fundido; sus dimensiones varían según los requisitos de la apertura y su espesor es determinado por la presión del agua. La regulación del nivel del agua se hace sacando parcial o completamente la compuerta. (figura 2) Este tipo de compuerta es usada normalmente para requerimientos de alta presión. Ha sido diseñada para cerrarse por gravedad. Las compuertas de rodillos son usualmente instaladas en la entrada de conductos. Son frecuentemente localizadas en la cara de una presa. Las aplicaciones son: control de flujo, sistemas de irrigación, encima de las presas para aumentar la capacidad del depósito. Tipos de compuertas de rorrillos: 1.

Overflow gate: Es utilizada cuando la profundidad del agua esta a la altura de la compuerta.

2.

Breastwall gate: Cuando el agua esta considerablemente mas profunda que la altura de la compuerta.

Figura 2 C) COMPUERTAS DE ALETA (FLAP GATES) Este tipo de compuerta consiste en una placa con bisagras que gira alrededor de un eje en su extremo inferior y transmiten el empuje hidrostático directamente hacia la solera (Figura 3)

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MECANICA DE FLUIDOS I 3° Laboratorio Dicha placa puede ser plana o curva para dar una mejor característica a la descarga. La posición de la placa debe ser controlada ya sea hidráulicamente, o alzando las conexiones que tiran o empujan la parte seleccionada bajo la compuerta.

Figura 3 D) COMPUERTAS CILÍNDRICAS Este tipo de compuerta fue ideada en Europa hace mas de cincuenta años y permitió por primera vez el diseño de presas de grandes luces. Consiste en un cilindro de acero el cual puede levantarse rodando sobre dos guías inclinadas. Figura 4 Este tipo de compuerta proporciona una instalación simple y efectiva pero no son muy comúnmente usadas debido a que la regulación del nivel de agua se efectúa alzando el cilindro y dejando pasar el agua por debajo. En ciertos casos éste sistema no permite una regulación muy exacta del nivel y pueden producirse grandes pérdidas de agua. Con el fin de eliminar estos inconvenientes se han diseñado los cilindros sumergibles que pueden bajarse algo para dejar pasar el agua por encima y se levantan para el paso de mayores caudales.

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Figura 4 E) COMPUERTAS RADIALES (TAINTOR or TAINTER GATES) Es una de las compuertas mas usadas en grandes presas donde usualmente se usan series de compuertas radiales entre columnas de concreto como se muestra en la figura 5. Consiste en una placa formada por un segmento cilíndrico y son giratorias alrededor de articulaciones que transmiten la presión (a través de soportes o miembro de acero) del agua directamente hacia la subestructura maciza. Al girar la compuerta hacia abajo, entra en una cavidad de concreto. Figura 5. El diseño de esta compuerta es útil ya que es económica y su levantamiento requiere de poca fuerza y es confiable. La mayor ventaja de estas compuertas es su funcionamiento hidráulico y la facilidad de represar ríos anchos sin necesidad de contrafuertes intermedios.

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Figura 5 F) COMPUERTAS MARIPOSA Consiste en un eje con una especia de placa giratoria (figura 6).Son usadas para controlar el flujo en presas muy anchas, y pueden ser usadas para controlar el flujo en dos direcciones, aunque normalmente el uso de una compuerta es en una sola dirección. Con este tipo de compuerta es posible tener máximas cabezas de agua a ambos lados de la compuerta, pero su instalación debe

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MECANICA DE FLUIDOS I 3° Laboratorio de ser en cabezas pequeñas, máximo 20 ft, si la cabeza de agua es mayor se recomienda usar compuertas de rodillos. Son usadas en plantas de tratamiento de aguas residuales.

Figura 6 G) COMPUERTAS DROP LEAF (caída de las hojas)

Las compuertas drop leaf son fabricadas a partir de ángulos estructurales y placas en acero unidas con soldadura figura 7. Su tipo de fabricación depende de la presión que ejerce el agua sobre esta y del diseño del método de sellado, por lo que este tipo de compuerta no es tan hermética como otras compuertas mencionadas anteriormente.

Esta compuerta esta diseñada para unas cabezas de 5 a 10 pies. Sus usos más comunes son en control de flujo, proyectos de conservación de suelos, represas de cabeza pequeña, como reemplazo de compuertas taintor y en proyectos de irrigación.

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Figura 7 H) COMPUERTAS DE ESCLUSA (SLUICE GATES) Son utilizadas en casos de largos pasajes de fluido, como un interceptor en canales, como reguladoras de nivel, en tanques de almacenamiento. Su sistema puede consistir en una placa de diferentes geometrías(circular, cuadrada o rectangular), que se abre manual o automáticamente. Figura 8.

Puede ser utilizada solamente en situaciones donde el fluido sea en un solo sentido y puede ser diseñada para aguantar una presión de 20 pies por una de sus caras y 10 pies por la otra.

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Figura 8

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2.3 FLUJO A TRAVÉS DE COMPUERTAS Una Compuerta es una placa móvil, plana o curva, que al levantarse, forma un orificio entre su borde inferior y la estructura hidráulica (presa, canal, etc.) sobre la cual se instala, y se utiliza en la mayoría de los casos para la regulación de caudales, y como emergencia y cierre para mantenimiento en los otros.

Figura 9 flujo a través de una compuerta plana

Las compuertas tienen las propiedades hidráulicas de los orificios y, cuando están bien calibradas, también pueden emplearse como medidores de flujo. Red de flujo para compuertas

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Figura 9 red de flujo para una compuerta plana Las condiciones físicas, hidráulicas, climáticas y de operación, evaluadas apropiadamente, imponen la selección del tipo y tamaño adecuado de las compuertas. Éstas se diseñan de diferentes tipos y con variadas características en su operación y en su mecanismo de izado, los cuales permiten clasificarlas en grupos generales de la siguiente manera: a.

Según las condiciones del flujo aguas abajo: -

Compuerta con descarga libre.

-

Compuerta con descarga sumergida o ahogada.

Figura 10 b. Según el tipo de operación o funcionamiento: -

Compuertas Principales: se diseñan para operar bajo cualquier condición de flujo; se les llama de regulación cuando se les conciben para controlar caudales en un canal abierto o sobre una estructura de presa, con aberturas parciales, y se conocen como compuertas de guarda o de cierre aquellas que funcionan completamente abiertas o cerradas.

-

Compuertas de emergencia: se utilizan en los eventos de reparación, inspección y mantenimiento de las compuertas principales, siendo concebidas para funcionar tanto en

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MECANICA DE FLUIDOS I 3° Laboratorio condiciones de presión diferencial, en conductos a presión, como en condiciones de presión equilibrada. c. De acuerdo a sus características geométricas: -

Compuertas planas: · · · ·

-

Rectangulares Cuadradas Circulares Triangulares, etc. Compuertas curvas o alabeadas:

·

Radiales: también llamadas compuertas Taintor, tienen la forma de una porción de cilindro, y giran alrededor de un pivote o eje horizontal situado en el eje longitudinal de la superficie cilíndrica. Por su forma algunas veces se les llama compuerta Sector. Generalmente, en las compuertas radiales el agua actúa en el lado convexo y, debido a las propiedades hidrostáticas de una superficie cilíndrica, la línea de acción del empuje hidrostático resultante pasa a través del pivote o centro de giro. En consecuencia, la fuerza requerida para levantar la compuerta es la necesaria para vencer el peso propio de la misma y la fricción en los apoyos. Este tipo de compuerta se usa en vertederos de presa, en obras de captación y en canales de riego.

·

Tambor: consisten en una estructura hermética de acero, abisagrada en la cresta de rebose de un vertedero de presa, y con una forma tal que, cuando está en su posición más baja, ocupa un recinto dentro de la estructura de la presa, sin interrumpir el perfil de dicha cresta. Si el líquido penetra a dicho recinto, la compuerta se levanta por encima de la cresta, debido al empuje de flotación, evitando el paso de la corriente. Este mecanismo de operación constituye cierta ventaja sobre los otros tipos de compuerta, puesto que no requiere de superestructuras que incluyan grúas, cables, ni volantes, para su manejo.

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Figura 11 ·

Cilíndricas: consisten en un cilindro de acero que se extiende entre los estribos de un vertedero de presa, en los cuales está adosada una cremallera dentada e inclinada, o de una torre cilíndrica de captación de un embalse. La compuerta se iza rodando hacia arriba, permitiendo el engranaje entre los dientes y las cremalleras en los extremos. En virtud de la gran resistencia de una estructura cilíndrica (con apropiados esfuerzos interiores), este tipo de compuerta se usa económicamente sobre grandes luces en proyectos especiales. Generalmente, se le coloca un borde longitudinal de acero en un punto apropiado de su periferia, para que forme un sello con la cresta del vertedero, cuando la compuerta está en la posición más baja.

d.

Según el mecanismo de izado: -

Compuertas deslizantes: el elemento de cierre u obturación se mueve sobre superficies deslizantes (guías o rieles) que sirven, a la vez, de apoyo y sello. Generalmente, se construyen en acero colado, y se emplean en estructuras de canales y en algunas obras de captación, en presas o tanques de regulación. La hoja de la compuerta o elemento de obturación se acciona con un mecanismo elevador, a través de un vástago o flecha de acero.

-

Compuertas rodantes: el elemento de cierre u obturación se mueve sobre un tren de ruedas, rodillos o de engranajes, hasta la posición de estanca. Se utilizan en obras de toma profunda, para casos de emergencia y de servicio, así como para cierre en mantenimiento, en conductos a presión. Ruedan a su posición de sello debido a su propio peso y se izan con cadenas o cables por medio de grúas especiales, fuera de la superficie del agua, hasta una caseta de operación, donde se les hace mantenimiento.

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2.4 Ecuaciones para el caudal de flujo a través de compuertas: a.

A través de compuertas planas: para deducir la expresión, se considera el caso más general, donde la compuerta está inclinada un ángulo q respecto a la horizontal, y tiene un ancho B igual al del canal.

Figura 12 El flujo a través del orificio formado por el labio inferior de la compuerta y el fondo del canal puede considerarse bidimensional. Nótese que la descarga supercrítica bajo la compuerta reduce progresivamente su profundidad a lo largo de una corta distancia I, aguas abajo, hasta una sección en donde la contracción del chorro es completa, llamada Vena contracta. La profundidad del flujo en la vena contracta y2, se relaciona con la abertura a, por medio del coeficiente de contracción Cc, así:

(1) Además, para compuertas planas verticales, se ha comprobado que:

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(2) Reemplazando (1) en (2), se tiene:

(3) Suponiendo las hipótesis de fluido incompresible, flujo permanente y uniforme, distribución hidrostática de presiones, lejos de la compuerta, y tensiones cortantes nulas, en paredes y fondo del canal, la ecuación de Bernoulli expresa lo siguiente:

(4)

(5) Por continuidad:

(6)

De donde:

(7)

Sustituyendo (7) en (5) y haciendo a1= a2 = a = 1, se tiene:

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Distribuyendo el binomio y simplificando se tiene:

Sacando raíz cuadrada:

(8) Reemplazando y2 = a.Cc en la anterior, se tiene:

(9) Introduciendo el coeficiente de velocidad, Cv, resulta:

(10)

(11) Ahora, reemplazando las ecuaciones (11) en la (6), se tiene:

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(12)

(13)

(14) Introduciendo el coeficiente de descarga, Cd, como:

(15) resulta:

(16) De otro lado, a partir de la ecuación (15), para Cv, se tiene:

(17) Elevando al cuadrado se tiene:

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(18) Ahora, haciendo:

(19) resulta:

(20) Los coeficientes Cc, Cv y Cd depende del número de Reynolds y de las características geométricas del escurrimiento. H. Rouse afirma que los valores de Cd para compuertas planas verticales (q = 90º) son esencialmente constantes y con ligeras variaciones alrededor de 0.61.

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2.5 EQUIPO DEL LABORATORIO 2.5.1 CANAL DE PENDIENTE VARIABLE

2.5.2 VERTEDERO TRIANGULAR

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APLICACIONES DE LA OMPUERTA A LA INGENIERÍA CIVIL Las compuertas ARAKAWA-KU, Rio sumida separa la esclusa iwabuchi. Esta compuerta roja que estana siento utilizada hasta la esclusa nueva terminada en 1982, que ahora se ha guardado como un hito histórico selección recomendada patrimonio industrial-ku , tokio

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4. RELACION DE MATERIALES Y PRESUPUESTO:

Modelamiento

Material 1 plancha de acrílico Pieza I de acrílico Pieza II de acrílico Microporoso Silicona líquida

Realidad

Cantidad 1

Base (cm) 20

Medidas Altura (cm) 20

Espesor (cm) 0.5

Costo parcial (S/.) 5

2

1

5

1

2.5

1

5

2

0.5

2.5

1 1

0.30 1 ∑ =S/.13.8

o Procedimiento de fabricación: 1. Se corta el borde inferior con cutter dándole el perfil indicado en los planos de un ángulo de 45°. 2. Se vierte la silicona líquida en los bordes laterales y frontales de la compuerta, para poder pegar las piezas I y II.

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MECANICA DE FLUIDOS I 3° Laboratorio 3. Por último se corta el microporoso según indica los planos se suelta el pegamento sobre el y se adhiere a la compuerta.

5. DESCRIPCIÓN DEL ENSAYO o Medición del caudal del vertedero: - Se abre la válvula de la bomba en un ángulo de 45, se espera hasta que alcanzan niveles mínimo requerido en las distintas secciones. - Empleando un balde y un cronometro sobre el vertedero triangular se coloca el balde en un intervalo entre 1-3s y se mide el volumen depositado por medio de la probeta de 2L Y 1L. - Se mide la altura del vertedero observando la regla adherida. -Este proceso se deberá realizar variando la pendiente, tomando alrededor de cinco ángulos como valores. Esto se logra girando la manivela y verificando el ángulo que marque. - Se deberá calcular el caudal ocho veces para cada valor de ángulo y promediarlo con el objetivo de aumentar la precisión. Se construirá una tabla de h vs Q, ya que así podremos obtener el caudal para cualquier valor de la altura del vertedero dada.

Válvula en ángulo de 45 para un caudal constante.

Niveles mínimos requeridos para empezar el ensayo.

Girar la manivela para establecer una pendiente.

VERTEDERO

Medición de la altura del vertedero.

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MECANICA DE FLUIDOS I 3° Laboratorio Medición del volumen

o Análisis de flujo a través de la compuerta : - Manteniendo cierta pendiente del canal, se coloca la compuerta a cierta altura de manera que la altura del agua varié al entrar y evacuar sobre la compuerta. - Se debe aguardar cierto tiempo hasta que el flujo sobre el canal se estabilice. - Se medirán con la regla las siguientes alturas, aguas arriba, aguas abajo, de compuerta y del vertedero para poder efectuar los cálculos posteriores.

Aguas Arriba

Aguas Abajo Compuerta

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Estabilización del flujo

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7. APLICACIONES DE LA COMPUERTA A LA INGENIERÍA CIVIL Las compuertas ARAKAWA-KU, Rio sumida separa la esclusa iwabuchi. Esta compuerta roja que estana siento utilizada hasta la esclusa nueva terminada en 1982, que ahora se ha guardado como un hito histórico selección recomendada patrimonio industrial-ku , tokio

8. BIBLIOGRAFIA http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/flujoencanales/flujo_compuertas/flujo_compuerta s.html http://es.scribd.com/doc/44930567/Hidraulica-compuertas-1 http://es.scribd.com/doc/32147934/COMPUERTAS-Marco-Teorico http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/flujoencanales/compuertas/compuertas.html http://ing.unne.edu.ar/pub/filtraciones.pdf http://www.arqhys.com/construccion/compuertas-hidraulicas.html

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