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“FLUJO UNIFORME” Curso: Hidráulica de Canales

Lima – Perú 2017-02

Contenido I.

INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ 2

II.

MARCO TEÓRICO ............................................................................................................. 3

III. METODOLOGÍA ................................................................................................................. 5 IV. CÁLCULOS ......................................................................................................................... 6 V.

RESULTADOS .................................................................................................................... 7

VI. CONCLUSIONES ............................................................................................................... 8 VII. BIBLIOGRFÍA ...................................................................................................................... 8

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I.

INTRODUCCIÓN El flujo uniforme rara vez ocurre en la naturaleza, debido a que los canales naturales son no prismáticos e irregulares. Aún en canales prismáticos, la ocurrencia de flujo uniforme es relativamente poco frecuente, debido a la existencia de controles hidráulicos, tales como cambios de pendiente, umbrales, vertederos, compuertas, etc., los cuales imponen una relación profundidad descarga distinta de la apropiada para flujos uniformes. No obstante, lo anterior, el flujo uniforme es una condición de importancia básica para el tratamiento de los problemas de diseño de canales. Por ejemplo, si se proyecta instalar ciertos controles en un canal de riego, es necesario comparar su relación caudalprofundidad con la del flujo uniforme, y el carácter del flujo en el canal dependerá de la forma que resulte de dicha comparación En el presente informe se presenta el ensayo de flujo uniforme en un canal realizados en el laboratorio con el fin de conocer este tipo de comportamiento en un flujo.

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II.

MARCO TEÓRICO Un flujo es uniforme si la profundidad de un flujo es la misma en cada sección del canal. Un flujo uniforme puede ser permanente o no permanente, según cambie o no la profundidad con respecto al tiempo. A. Flujo uniforme permanente: Es el tipo de flujo fundamental que se considera en la hidráulica de canales abiertos. La profundidad de flujo no cambia durante el intervalo de tiempo bajo consideración.

B. Flujo uniforme no permanente: requeriría que la superficie del agua fluctuara de un tiempo a otro, pero permaneciendo paralela al fondo del canal. En efecto, ésta es una condición prácticamente imposible.

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El flujo uniforme no puede ocurrir a velocidades muy altas, ya que atrapa aire y se vuelve muy inestable.

CARACTERÍSTICAS: A. La profundidad, el área mojada, la velocidad y el caudal en cada sección del canal son constantes. Para propósitos prácticos, el requerimiento de una velocidad constante puede interpretarse libremente como el requerimiento de que el flujo posea una velocidad media constante. Sin embargo, esto significa que el flujo posee una velocidad constante en cada punto de la sección del canal dentro del tramo del flujo uniforme. B. La línea de energía, la superficie del agua y el fondo del canal son paralelos, es decir, sus pendientes son todas iguales o Sf = Sw = So = S. ESTABLECIMIENTO DEL FLUJO UNIFORME Cuando el flujo ocurre en un canal abierto, el agua encuentra resistencia a medida que fluyen aguas abajo. Esta resistencia por lo general es contrarrestada por las componentes de fuerzas gravitacionales que actúan sobre el cuerpo de agua en la dirección del movimiento. Un flujo uniforme se desarrollará si la resistencia se balancea con las fuerzas gravitacionales. La magnitud de la resistencia, cuando otros factores físicos del canal se mantienen constantes, depende de la velocidad de flujo. Si el agua entra al canal con lentitud, la velocidad y, por consiguiente, las resistencias son pequeñas, y la resistencia es sobrepasada por las fuerzas de gravedad, dando como resultado una aceleración de flujo en el tramo de aguas arriba. La velocidad y la resistencia se incrementarán de manera gradual hasta que se alcance un balance entre las fuerzas de resistencia y de gravedad. A partir de este momento, y de ahí en adelante, el flujo se vuelve uniforme. El tramo de aguas arriba que se requiere para el establecimiento del flujo uniforme se conoce como zona transitoria. En esta zona el flujo es acelerado y variado. Si el canal es más corto que la longitud transitoria requerida para las condiciones dadas, no puede obtenerse flujo uniforme. Hacia el extremo de aguas abajo del canal, la resistencia puede ser excedida de nuevo por las fuerzas gravitacionales y el flujo nuevamente se vuelve variado. Para mayor explicación, se muestra un canal largo con tres pendientes diferentes:

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A. Pendiente Subcrítica: (Figura de arriba) el agua en la zona de transición aparece ondulante. El flujo es uniforme en el tramo medio del canal, pero variado en los dos extremos. B. Pendiente Crítica: (Figura del medio), la superficie del agua del flujo crítico es inestable. En el tramo intermedio pueden ocurrir ondulaciones, pero en promedio la profundidad es constante y el flujo puede considerar uniforme. C. Pendiente Supercrítica: (figura inferior), la superficie de agua en la zona transitoria pasa del nivel subcrítico al nivel supercrítico a través de una caída hidráulica gradual. Después de la zona de transición el flujo se aproxima al uniforme. La profundidad del flujo uniforme se conoce como profundidad normal. En todas las figuras la línea de trazos largos representa la línea de profundidad normal, abreviada como L.P.N., y la línea de trazos cortos representa la línea de profundidad crítica o L.P.C. La longitud de la zona transitoria depende del caudal y de las condiciones físicas del canal, como la condición de entrada, la forma, la pendiente y la rugosidad. Desde un punto de vista hidrodinámico, la longitud de la zona de transición no deberá ser menor que la longitud requería para el desarrollo completo de la capa límite bajo las condiciones dadas.

III.

METODOLOGÍA

MATERIALES:

Los implementos utilizados para los ensayos fueron: 5

     

Canal hidráulico. Regla de medición. Cubeta Lignímetros. Marcador. Cronómetro

PROCEDIMIENTO 1. Fijar dos secciones de interés y análisis. 2. Medir la geometría del canal en las secciones de análisis. 3. Con la ayuda del tubo de Pitot medir la velocidad del flujo dentro del canal en cada una de las secciones de análisis. 4. Medir la velocidad del agua considerando dos profundidades medición (0.2y y 0.8y), con la finalidad de calcular la velocidad del flujo con el método de las áreas mostrado en la presente práctica. 5. Considerar adecuadamente la pendiente que presenta el canal. 6. Generar un perfil hidráulico uniforme y permanente en el canal de pendiente variable.

IV.

CÁLCULOS Datos generales: 37 3 3 𝑄𝑟𝑒𝑎𝑙 = 37 𝑚 ⁄ℎ ≈ = 0.010 𝑚 ⁄𝑠 3600 Para: 𝑏 = 0.3𝑚 𝑌̅ = 13.6𝑐𝑚 ≈ 0,136𝑚 𝐴 = 0.3 × 0.136 ≈ 0.0408𝑚2 𝑃 = 0.3 + 2𝑥0.136 = 0.572𝑚 Sf =

h 0.005 = = 0.002m l 2.51

Calculamos los valores: 0.80𝑌̅ = 10.9𝑐𝑚 ≈ 0.109𝑚

𝑣 = 0.35 𝑚⁄𝑠 𝑣 = 0.34 𝑚⁄𝑠

0.2𝑌̅ = 2.72𝑐𝑚 ≈ 0.0272𝑚

Calculamos la 𝑽𝒎𝒆𝒅𝒊𝒂 :

𝑉𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 =

0.8𝑌̅ + 0.2𝑌̅ 2

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𝑉𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 =

0.35 + 0.34 = 0.34 𝑚⁄𝑠 2

𝟑𝟕 𝟑 𝟑 𝑸𝒓𝒆𝒂𝒍 = 𝟑𝟕 𝒎 ⁄𝒉 ≈ = 𝟎. 𝟎𝟏𝟎 𝒎 ⁄𝒔 𝟑𝟔𝟎𝟎 Para: 𝑏 = 0.3𝑚 𝑌̅ = 12𝑐𝑚 ≈ 0,12𝑚 𝐴 = 0.3 × 0.12 ≈ 0.036𝑚2

Calculamos los valores:

𝑣 = 0.4 𝑚⁄𝑠

0.80𝑌̅ = 9.6𝑐𝑚 ≈ 0.096𝑚

𝑣 = 0.35 𝑚⁄𝑠

0.2𝑌̅ = 2.4𝑐𝑚 ≈ 0.024𝑚

Calculamos la 𝑽𝒎𝒆𝒅𝒊𝒂 : 𝑉𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 =

𝑉𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 =

V.

0.80𝑌̅ + 0.2𝑌̅ 2

0.4 + 0.35 = 0.36 𝑚⁄𝑠 2

RESULTADOS

ℎ1 =

𝑣2 2𝑔

0.342

ℎ1 = 2𝑥9.82 =0.006

ℎ2 =

0.362 = 0.006 2𝑥9.82

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ℎ2 ≈ ℎ1

VI.

VII.

CONCLUSIONES



No se puede desarrollar un flujo uniforme porque el canal es muy corto.



La relación del tirante hidráulico y distancia, analizando el canal hidráulico, podemos darnos cuenta que a medida que la distancia aumenta el tirante disminuye.



En un flujo uniforme, el tirante y la velocidad media permanecen constantes, de ese modo, en las caras perpendiculares a la dirección del flujo, separadas entre si por la longitud L, actúan las fuerzas hidrostáticas iguales y de sentido contrario. (Villón,1995, p.67)

BIBLIOGRFÍA   

Ven Te Chow, “HIDRÀULICA DE CANALES ABIERTOS”, editorial Martha Edna Suárez R, 2004, páginas 87 – 182. Francisco Javier Domínguez, “HIDRAULICA” editorial Universitaria, Sexta Edición, 1999. Pedro Rodríguez Ruiz, “HIDRÁULICA II”, 2008, página 1-81.

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