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Laboratorio de Hidráulica de Canales- UPC 2018-1

INGENIERÍA CIVIL 2018-01 HIDRÁULICA DE CANALES (CI-174)

GUÍA DE LABORATORIO 1

FLUJO PERMANENTE UNIFORME (FU) Y FLUJO RÁPIDAMENTE VARIADO (FRV) Autor: Docentes:

Ing. Sissi Santos Hurtado Ing. Fernando Montesinos Ing. William Sánchez Verástegui Ing. David Maldonado Carrasco

Ing. Emanuel Guzman Zorrilla Ing. Beatriz Salvador Gutierrez

S.Santos H.

Laboratorio de Hidráulica de Canales- UPC 2018-1

Contenido EXPERIENCIA Nº 1: FLUJO PERMANENTE UNIFORME .................................................... 3 OBJETIVOS ...................................................................................................................... 3 EQUIPOS Y MATERIALES. ............................................................................................... 3 PROCEDIMIENTO ............................................................................................................ 3 DATOS .............................................................................................................................. 3 CÁLCULOS Y PREGUNTAS ............................................................................................. 3 EXPERIENCIA Nº 2: AFORO CON FLOTADORES .............................................................. 4 MEDICIÓN DEL ESCURRIMIENTO (AFOROS) ................................................................ 4 OBJETIVOS ...................................................................................................................... 4 EQUIPOS Y MATERIALES. ............................................................................................... 4 PROCEDIMIENTO ............................................................................................................ 4 CÁLCULOS Y PREGUNTAS ............................................................................................. 6 EXPERIENCIA Nº 3: RESALTO HIDRÁULICO Y ENERGIA ESPECÍFICA ........................... 7 OBJETIVOS ...................................................................................................................... 7 EQUIPOS Y MATERIALES. ............................................................................................... 7 PROCEDIMIENTO ............................................................................................................ 7 CÁLCULOS Y PREGUNTAS ............................................................................................. 7 DATOS Y CALCULOS ....................................................................................................... 9

S.Santos H.

Laboratorio de Hidráulica de Canales- UPC 2018-1

EXPERIENCIA Nº 1: FLUJO PERMANENTE UNIFORME OBJETIVOS Determinar experimentalmente: la rugosidad correspondiente al canal de pendiente variable.

EQUIPOS Y MATERIALES.  Canal de pendiente variable.  Limnímetro  Caudalímetro

PROCEDIMIENTO  Medir el ancho (b) de la sección transversal del canal de pendiente variable  Establecer en el canal del laboratorio un flujo permanente, correspondiente a una pendiente de fondo S0.  Medir el tirante uniforme y  Medir el caudal real (Q) con el caudalímetro (m 3/h) del canal de pendiente variable  Manteniendo el caudal constante variar la pendiente de fondo S 0 y medir el tirante uniforme, repetir el procedimiento con caudales diferentes.

DATOS Q (m3/s)= Prueba # 1

Lectura y (m)

S0

b (cm)= A

P

(m2)

(m)

Rh (m)

Manning nt

Chezy kt

2 3 4

CÁLCULOS Y PREGUNTAS  Aplicar la ecuación de Manning para flujo uniforme y calcular el valor de la rugosidad teórica nt, compararla con el valor real.

Q

AR

2

3

So

n

 Aplicar la ecuación de Chezy para flujo uniforme y calcular el valor de la rugosidad teórica kt, compararla con el valor real.  12 Rh C  18 log    0.3

  

𝜕=  *¿Cuáles son sus conclusiones?

S.Santos H.

V *  gRh .S e

. ∗

ν agua= 1*10-6 m2/s

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EXPERIENCIA Nº 2: AFORO CON FLOTADORES

MEDICIÓN DEL ESCURRIMIENTO (AFOROS) Hidrometría, es la técnica y arte de medir la escorrentía, a la medición se le denomina también aforo. Aforrar una corriente, significa determinar mediante mediciones el caudal que pasa por una sección en un momento dado, a este punto se le denomina “Estación de Aforo” Aplicaremos el método de Aforo con Flotadores para medir el caudal que pasa por el canal. Este método es aplicado a cursos naturales como ríos poco profundos, quebradas y canales pequeños a medianos. Para realizar un aforo en el campo se requiere que: La sección de la estación de aforo debe ser constante, sin erosión o sedimentación, ni estar afectada por curva de remanso.

OBJETIVOS Determinar experimentalmente: a) El tirante del flujo uniforme b) El caudal que pasa por el canal

EQUIPOS Y MATERIALES.      

Canal de pendiente variable. Limnímetro Wincha Caudalímetro Cronómetro digital Flotador

PROCEDIMIENTO  Establecer en el canal del laboratorio un flujo subcrítico.  Delimitar un tramo sin obstáculos del canal en donde se realizará las mediciones, medir la longitud del tramo “L”

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b

a L

 Medir el ancho de la base del canal “b”  Medir las profundidades en el punto de inicio “a” y punto final “b” es decir: ya e yb con la ayuda del limnímetro.  Calcular el Área “A” de la sección transversal

promediando: ya e yb para luego

multiplicarlo por el ancho de la base “b” del canal: A = b. y  Soltar un flotador antes del punto de inicio “A”  En cuanto pase por el punto “a”, se iniciará el tiempo en cronómetro, para esto el observador tiene que estar frente al canal y esperar que cruce el flotador el punto señalado.  Al arribar el flotador al punto “b”, se finalizará de tomar el tiempo en el cronómetro, teniendo en cuenta que el observador tiene que estar frente al canal y esperar que cruce el flotador el punto señalado. De esta manera se obtiene el tiempo “t i”.  Repetir esta operación 5 veces, y hallar el tiempo promedio.  Calcular la velocidad superficial:𝑉

=

 Calcular la velocidad media corrigiendo la velocidad superficial Vs con el factor de corrección: k, el cual tiene un valor entre 0.8 a 0.95. Usar k = 0.85 𝑉 = 𝑘𝑉  Aplicar la ecuación de Continuidad para hallar el caudal :

𝑄 = 𝑉. 𝐴

 Medir el caudal real (Qr) con el caudalímetro del canal de pendiente variable  Hallar el coeficiente corrección real : k r a partir de: 𝑄

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= 𝑘 𝑉 .𝐴

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CÁLCULOS Y PREGUNTAS b (m)= Prueba # 1

ti (seg)

ya (m) yb (m)

2

y (m) promedio

3 4 5

t promedio

A = b.y (m2) 𝑽𝒔 =

𝑳 (𝑚/𝑠) 𝒕

𝑉 = 𝑘𝑉 (𝑚/𝑠) k =0.85

𝑄 = 𝑉. 𝐴 𝑘 =

(𝑚 /𝑠)

𝑄 𝑉 .𝐴

*¿Cuáles son sus conclusiones? *¿Hay valores de k recomendados para ríos y canales?

S.Santos H.

Qr (m3/s)=

L (m)=

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EXPERIENCIA Nº 3: RESALTO HIDRÁULICO Y ENERGIA ESPECÍFICA Elementos del resalto hidráulico: y1: tirante conjugado menor y2: tirante conjugado mayor E1: energía antes del resalto E2: energía después del resalto y2- y1: altura del resalto L: longitud del resalto E1- E2: perdida de energía del resalto

OBJETIVOS Determinar experimentalmente: a) Los tirantes conjugados del resalto hidráulico b) la longitud del resalto hidráulico c) la Energía Especifica del resalto hidráulico.

EQUIPOS Y MATERIALES.    

Canal de pendiente variable. Compuerta plana Limnímetro Caudalímetro

PROCEDIMIENTO         

Establecer la pendiente del canal como horizontal (pendiente cero) Colocar la compuerta al inicio del tramo del canal Fijar en el canal un caudal. Mediante la abertura de la compuerta plana colocada aguas arriba, graduar para establecer una obstrucción tal que esta remanse el flujo y provoque un resalto hidráulico hacia aguas abajo. Para fijar el tipo de resalto se puede graduar el vertedero de salida, situado al final del canal. Una vez establecido el salto, con el limnímetro mida las profundidades antes y después del salto, es decir: y1 e y2. Medir la longitud del resalto L Medir el caudal real (Q) con el caudalímetro del canal de pendiente variable Repetir el procedimiento con caudales diferentes.

CÁLCULOS Y PREGUNTAS a) Calcular los números de Froude (F1 y F2) correspondientes a los tirantes conjugados y1 e y2, para cada prueba.

F

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V , gD

siendo D = A / T

Laboratorio de Hidráulica de Canales- UPC 2018-1 V: velocidad media (m/s) D: profundidad media (m) T: espejo de agua (m)

g: aceleración de la gravedad (m/s2) A: área hidráulica (m 2)

*¿Qué determina el Número de Froude en cada tirante conjugado? b) Mediante la ecuación de resalto hidráulico en sección rectangular, calcular los valores teóricos del tirante conjugado mayor en base al tirante conjugado menor.

y2 

y1 2

 1  8F

2 1



1

*Comparen ambos valores, calcular el error c) Calcular el valor teórico de la longitud del resalto (L’) y clasificar el Resalto Hidráulico en función del F1, mediante el diagrama del USBR que se adjunta a continuación. *Comparen ambos valores de longitud (L y L’), calcular el error

L/y2

Longitud de Resalto Hidráulico – USBR

F1

d) Calcular la Energía especifica (E1 y E2) correspondientes a los tirantes conjugados y1 e y2, para cada prueba, mediante la ecuación:

Ee  y 

V2 Q2  y 2g 2 gA 2

e) Calcular la eficiencia de cada resalto:   *¿Cuáles son sus conclusiones?

S.Santos H.

E1  E 2 E1

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DATOS Y CALCULOS Prueba

#

Qr (m3/s)

Lectura y1 (m)

Lectura y2 (m)

Longitud L

(m)

V1 (m/s)

V2 (m/s)

F1

F2

Calcular

Grafico

y’2 (m)

L’ (m)

Ee1 (m)

Ee2 (m)

1

2

3

Formuló Ing. Sissi Santos Ing. David Maldonado Profesores del Curso

S.Santos H.

Revisó

Aprobó

Autorizó

Ing. Sissi Santos Hurtado

Ing. Román Arciniega

Ing. Jorge Cabrera

Coordinador de Línea

Director de la Carrera

Decano de Ingeniería

la

Facultad

de

η

(%)