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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

INTRODUCCIÓN: El flujo en un canal se produce, principalmente, por la acción de la fuerza de gravedad y se caracteriza porque expone una superficie libre a la presión atmosférica, siendo el fluido siempre un líquido, por lo general agua. El movimiento de un líquido a superficie libre se ve afectada por las mismas fuerzas que intervienen en el flujo dentro de un tubo, a saber:    

La fuerza de gravedad, como la más importante en el movimiento. La fuerza de resistencia ocasionada en las fronteras rígidas por la fricción y la naturaleza casi siempre turbulenta del flujo. La fuerza producida por la presión que se ejerce sobre las fronteras del canal, particularmente en las zonas donde cambia su geometría. La fuerza debido a la viscosidad del líquido, de poca importancia si el flujo es turbulento.

A estas se agregan, excepcionalmente, las siguientes:  

La fuerza de tensión superficial, consecuencia directa de la superficie libre Las fuerzas ocasionales debidas al movimiento del sedimento arrastrado.

De acuerdo con su origen, los canales pueden ser naturales o artificiales. Los naturales son las conducciones hidráulicas que existen para el drenaje natural sobre la tierra, como arroyos, ríos, estuarios, ect. Los artificiales son los construidos por el hombre para fines de riego, drenaje, generación de energía, navegación, etc.

PRINCIPIO TEÓRICO: Geometría de un canal:

Hidráulica: Ing. Herquinio Arias Manuel Vicente

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La sección transversal de un canal se localiza mediante la coordenada x sobre la plantilla según su eje. Los elementos geométricos más importantes de la sección se describen a continuación. Tirante. Es la distancia y perpendicular a la plantilla, medida desde el punto más bajo de la sección hasta la superficie libre del agua. Es decir, es normal a la coordenada x. Ancho de superficie libre. Es el ancho T de la sección del canal, medido al nivel de la superficie libre. Área hidráulica. Es el área A ocupada por el flujo en la sección del canal. Es fácil observar que el incremento diferencial del área dA , producido por el incremento dy del tirante, es dA  Tdy , y por tanto

T

dA dy

Perímetro mojado. Es la longitud P de la línea de contacto entre el agua y las paredes del canal, es decir, no incluye a la superficie libre. Radio hidráulico. Es el cociente Rh del área hidráulica y el perímetro mojado. Rh 

A P

Tirante medio o tirante hidráulico. Es la relación Y entre el área hidráulica y el ancho de la superficie libre Y

A T

Talud. Designa la inclinación de las paredes de la sección y corresponde a la distancia k recorrida horizontalmente desde un punto sobre la pared, para ascender la unidad de longitud a otro punto sobre la misma. Por lo general se expresa como k:1, sin embargo, es suficiente con indicar el valor de k. Tipos de Flujo: El flujo en canales abiertos puede clasificarse en muchos tipos y describirse de varias maneras. La siguiente clasificación se hace de acuerdo con el cambio de la profundidad de flujo con respecto al tiempo y al espacio. Flujo permanente y flujo no permanente: (tiempo como criterio) Cuando el flujo es de tipo permanente, en una sección del canal permanece constante con respecto al tiempo las características hidráulicas del flujo al cual simbolizaremos como N (caudal, velocidad media, tirante, etc).

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Se simboliza: N 0 t

Cuando el flujo es de tipo no permanente, en una sección del canal no permanece constante con respecto al tiempo las características hidráulicas del flujo (caudal, velocidad media, tirante, etc).

Se simboliza: N 0 t

Flujo uniforme y flujo variado: (Espacio como criterio) Se dice que el flujo en canales abiertos es uniforme si la profundidad de 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 En el flujo uniforme permanente, es el tipo de flujo fundamental que se considera en la hidráulica de canales abiertos. La profundidad del flujo no cambia durante el intervalo de tiempo bajo consideración. El establecimiento de un flujo uniforme no permanente requeriría que la superficie del agua fluctuara de un tiempo a otro, pero permaneciendo paralelo al fondo del canal. En efecto, ésta es una condición prácticamente imposible. Se simboliza: N 0 s

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En el flujo es variado si la profundidad de flujo cambia a lo largo del canal. El flujo variado puede ser permanente o no permanente.

Se simboliza: N 0 s

El flujo variado puede clasificarse además como rápidamente variado o como gradualmente variado. El flujo es rápidamente variado si la profundidad del agua cambia de manera abrupta en distancias comparativamente cortas; de otro modo, es gradualmente variado. Un flujo rápidamente variado también se conoce como fenómeno local; algunos ejemplos son el resalto hidráulico y la cauda hidráulica.

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OBJETIVOS: Generales: Experimentar mediante la recreación en una conducción abierta con los diferentes tipos de flujo que se pueden presentar en un canal. Objetivos específicos: Mediante la experiencia podremos determinar lo siguiente:  Flujo permanente  Flujo uniforme  Flujo variado  Flujo rápidamente variado  Flujo gradualmente variado

EQUIPOS:

 De seguridad:

Casco

Chaleco

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 Para la medición:

Wincha

Prisma de madera

Regla de metal

canal de pendiente variable

PROCEDIMINETO:

1. Colocar en canal en una pendiente 0. 2. Encender la bomba del canal de pendiente variable 3. Se coloca un prisma de madera de 20 cm de largo al canal siendo este como un obstáculo natural 4. Marcar en la pared lateral de canal de vidrio las distancias para hacer las tomas de datos en cada punto 5. Medir las cotas inferior y superior de cada punto con el limnímetro.

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Mediciones: Lectura del vertedero:

Altura del vertedero(cm)

Caudal(lt/s)

15.8

6.90

15.7

6.80

15.7

6.80

Promedio(lt/s)

6.83

Para los tirantes se hicieron 3 mediciones para cada punto, con el fin de obtener un buen aproximado.

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Punto 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

x 0 30 60 90 120 150 152 154 156 158 160 162 164 166 168 170 172 174 176 178 180 182 184 186 188 190 192 194 196 198 200 204 208 212 216 220 224 226 228 230

y(superior) 32.98 33.02 33.03 33.08 33.17 33.23 33.18 33.14 33.02 32.8 32.5 32.2 31.73 31.23 30.35 29.95 29.57 29.2 29.2 28.57 28.13 27.8 27.27 26.22 25.27 24.17 23.15 22.43 22.45 22.13 21.73 21.73 21.75 21.9 22.15 21.98 21.77 22.1 22.2 22.2

y(inferior) 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7

Tirante 15.28 15.32 15.33 15.38 15.48 15.53 15.48 15.44 15.32 15.07 14.83 14.53 14.03 13.53 12.65 12.25 11.87 11.5 11.5 10.87 10.43 10.1 9.57 8.52 7.57 6.47 5.45 4.73 4.75 4.43 4.03 4.03 4.05 4.2 4.45 4.28 4.07 4.4 4.5 4.5

Tramo

Tipo de flujo

1

Flujo uniforme (permanente)

2

Flujo Rápidamente Variado (permanente)

3

Flujo Gradualmente Variado (permanente)

4

Flujo Rápidamente Variado

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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73

232 234 236 238 240 242 244 246 248 250 252 254 256 258 260 262 264 266 268 270 272 274 276 278 280 282 284 286 288 290 292 294 296

23.2 23.9 24 24.5 25.2 26.5 26.8 27.2 27.5 27.6 27.7 27.8 27.9 27.95 27.98 28 27.95 28 28.1 28 28.2 28.22 28.28 28.3 28.3 28.4 28.42 28.35 28.4 28.6 28.5 28.7 28.9

17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7 17.7

5.5 6.2 6.3 6.8 7.5 8.8 9.1 9.5 9.8 9.9 10 10.1 10.2 10.25 10.28 10.3 10.25 10.3 10.4 10.3 10.5 10.52 10.58 10.6 10.6 10.7 10.72 10.65 10.7 10.9 10.8 11 11.2

(permanente)

4

Flujo Rápidamente Variado (permanente)

5

Flujo Gradualmente Variado (permanente)

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COMENTARIOS: 

Para empezar en todo el canal el flujo es permanente debido a la bomba que hace circular en el canal un caudal constante en todo momento por ello en las secciones no van a variar las propiedades con el tiempo.



En el tramo 1 (del punto 1 al 6) vemos pequeñas variaciones de tirantes de hasta 0.05 cm, pero se dan a una grande distancia de puntos como lo es 30 cm, por ello podemos despreciar estas pequeñas variaciones y considerar que el flujo en esta sección es uniforme.



En el tramo 2 (del punto 7 al 27) tenemos variaciones de hasta un 1 cm para una distancia de 2 cm entre los puntos, como vemos encontramos grandes variaciones de tirante para un tramo corto, por ello en esta sección observamos que se da un flujo rápidamente variable.



En el tramo 3 (del punto 28 al 37) tenemos variaciones de a lo mucho 0.4 cm para una distancia entre puntos de 4 cm, por lo que en esta sección apreciamos un flujo gradualmente variado según la teoría.



En el tramo 4 (del punto 37 al 47) encontramos lo que llamamos resalto hidráulico, el cual es un claro ejemplo de flujo rápidamente variable.



En el tramo 5 (del punto 48 al 73) también apreciamos variaciones considerables de tirantes, pero para un tramo grande, por lo que encontramos en esta sección flujo gradualmente variable.

CONCLUSIONES:      

En todo el canal se da flujo permanente. De acuerdo a nuestra división de tramos en el primer tramo encontramos flujo uniforme. En el tramo 2 encontramos flujo rápidamente variable. En el tramo 3 encontramos flujo gradualmente variable. En el tramo 4 encontramos flujo rápidamente variable. En el tramo 5 encontramos flujo gradualmente variable.

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RECOMENDACIONES:  Una mejor responsabilidad por parte de los operadores para obtener valores que se acerquen lo más posible al valor real. 

Mejorar las condiciones de limpieza de los materiales y su constante mantenimiento.

BIBLIOGRAFIA:   

Hidráulica de canales abiertos – Ven Te Chow (pág. 3-7) Hidráulica de canales vol.2 – Sotelo (pág. 1-8) Mecánica de fluidos 2 – W. Chereque (pág. 1-3)

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