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LABORATORIO N°3. VETEDEROS DE PARED DELGADA

EDWIN ALBEIRO SUAREZ REÁTIGA COD 201110756

UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL HIDRÁULICA I TUNJA 2013

LABORATORIO N°3. VERTEDEROS DE PARED DELGADA.

ANGIE ALEXANDRA PEREZ MOLANO (201110445) CARLOS ANDRES CHAPARRO PULIDO (201110960) JULIETH CAROLINA BLANCO RIAÑO (201110951)

Presentado a: Ing. Melquisedec Cortes. En el curso de Hidráulica I. Monitor: Alexander Rojas.

UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL HIDRAULICA I TUNJA 2013

INTRODUCCION

Ante la importancia que representa para el estudiante de Ingeniería Civil el conocimiento y el adquirir criterio para la selección de un método de aforo en plantas de tratamiento de aguas residuales, se hace necesario que este comprenda el correcto funcionamiento de los vertederos de pared delgada (rectangular) así como su diseño, construcción, instalación y el método de ensayo de calibración de vertederos de pared delgada en el laboratorio.

La determinación del caudal que circula por una canal a superficie libre es de gran importancia en campos como los riegos y drenajes, la regulación y la conservación de agua y el control de crecientes por mencionar algunos. Excepto en condiciones particulares de flujo, por ejemplo una sección transversal de canal donde exista una relación directa entre el caudal y la profundidad de la lámina de agua, es necesario crear estas condiciones de tal manera que a una profundidad de agua le corresponda un solo caudal. Para lograr estas condiciones se utilizan estructuras hidráulicas cuyo objetivo es la medida del flujo, estas estructuras pueden ser los vertederos de cresta delgada, los vertederos de cresta ancha y los canales de aforo.

En el presente informe se describe de manera breve el funcionamiento de un vertedero de pared delgada (rectangular), así como el método de ensayo usado en laboratorio para la calibración de vertederos, obteniendo unos caudales reales o experimentales que pueden ser comparados con unos teóricos, que junto con otras características del flujo como la carga sobre el vertedero permiten obtener un coeficiente de descarga, que hace posible caracterizar de alguna manera el (los) flujo(s) estudiado(s).

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL: 

Determinar el valor de las velocidades y los caudales teórico y experimental para obtener el coeficiente de descarga, a partir del cociente entre estos caudales.

OBJETIVOS ESPECIFICOS:



Medir las alturas limnimetricas aguas arriba para obtener la velocidad y los caudales.



Hallar el caudal experimental y teórico del ensayo para el vertedero rectangular.



Obtener la velocidad de cada intento con el caudal aumentado, a partir del uso del micro-molinete.



Analizar el comportamiento del vertedero frente a la situación de si se usara para un canal abierto.

EQUIPOS Y MATERIALES.

  

 

Canal rectangular Placa de orificio Micro-molinete

Metro Limnímetro

PROCEDIMIENTO.

1. Con la ayuda del metro divida la longitud del canal en tramos de diferentes longitudes que varíen entre los 10 cm y 15 cm (desde -25 cm hasta 50 cm). 2. Medir el ancho del canal. 3. Fijar una posición de válvulas para un caudal determinado. 4. Coloque el canal en posición horizontal por medio del gato mecánico. 5. Introduzca el vertedero a calibrar en la ranura dispuesta para tal fin. 6. Tome tirantes con el limnímetro a lo largo del canal, tenga en cuenta que en la proximidad aguas arriba y aguas abajo del vertedero deben tomarse medidas cada 5cm por el cambio brusco del perfil del flujo. 7. Tome el valor de la altura del vertedero colocado en el canal y registre el caudal descargado. 8. Repita los dos pasos anteriores según la precisión deseada. 9. hacer la toma de datos para 4 caudales en cada uno de los flujos. 10. Reducir paso a paso el caudal, registrando los datos en cada caso. Tomar los puntos necesarios para cubrir los rangos de flujo turbulento, en transición y laminar. 11. Con ayuda del micromolinete, registrar las revoluciones durante un minuto en el punto -2 (distancia -25 cm).

MARCO TERICO

Vertederos de pared delgada. El caudal en un canal abierto puede ser medido mediante un vertedor, que es una obstrucción hecha en el canal para que él liquido retroceda un poco atrás y fluya sobre o a través de ella. Si se mide la altura de la superficie liquida de la corriente arriba es posible determinar el caudal. Los vertederos, construidos con una hoja de metal u otro material, que permitan que el chorro o manto salgan libremente reciben el nombre de vertederos de pared delgada. Debe haber una posa de amortiguación o un canal acceso aguas arriba para calmar cualquier turbulencia y lograr que el agua se acerque al vertedero lenta y suavemente. Para tener mediciones precisas el ancho del canal de acceso debe equivaler a ocho veces el ancho del vertedero y debe extenderse aguas arriba 15 veces la profundidad de la corriente sobre el vertedero. La utilización de vertederos de pared delgada está limitada generalmente a laboratorios, canales pequeños y corrientes que no lleven escombros y sedimentos. Los tipos más comunes son el vertedero rectangular y el triangular. La cara de aguas arriba debe ser instalada verticalmente y el borde de la placa debe estar cuidadosamente conformado. La estructura delgada está propensa a deteriorarse y con el tiempo la calibración puede ser afectada por la erosión de la cresta. El vertedero triangular es preferido cuando las descargas son pequeñas, porque la sección transversal de la lámina vertiente muestra de manera notoria la variación en altura. La relación entre la descarga y la altura sobre la cresta del vertedero, puede obtenerse matemáticamente haciendo las siguientes suposiciones del comportamiento del flujo: 1. Aguas arriba del vertedero el flujo es uniforme y la presión varía con la profundidad de acuerdo con la hidrostática (p=rgh). 2. La superficie libre permanece horizontal hasta el plano del vertedero y todas las partículas que pasan sobre el vertedero se mueven horizontalmente (en realidad la superficie libre cae cuando se aproxima al vertedero).

3. La presión a través de la lámina de líquido o napa que pasa sobre la cresta del vertedero es la atmosférica. 4. Los efectos de la viscosidad y de la tensión superficial son despreciables. Estas suposiciones conducen al siguiente modelo de flujo ideal.

Ecuación para un vertedero rectangular de pared delgada:

Terminología relativa a los vertederos. A continuación se definen los términos comúnmente utilizados en la descripción de los flujos a través de vertederos la figura ilustra dichos términos, donde:

b: Longitud de la cresta del vertedero. B: Ancho del canal de acceso h: Carga del vertedero. es el desnivel entre la superficie libre de aguas arriba y la cresta del vertedero a: carga sobre la cresta

P: Altura o cota de la cresta, referida al fondo del canal Z: Espesor de la lámina de agua, aguas abajo del vertedero L : Distancia mínima, aguas arriba del vertedero, a la cual se coloca el medidor de niveles (limnímetro). L. mayor o igual que 5h. e: Espesor de la pared del vertedero H: Espesor de la lámina de agua, aguas arriba del vertedero. El chorro descargado a través de la escotadura del vertedero, modelado por la cresta, forma una hoja llamada napa o lamina vertiente. Aplicando la ecuación de Bernoulli entre los puntos 1 y 2 sobre una misma línea de corriente, se obtiene:

ya que según la suposición 3,

y

llamando, entonces se tiene:

Es decir,

La descarga teórica a través de una faja de espesor dZ es: dQ = V2bdZ, entonces:

Ya que V1 depende de Q, la solución de esta ecuación debe obtenerse por ensayo y error; sin embargo, la velocidad de aproximación V 1 es en general muy pequeña y la ecuación anterior se puede simplificar.

Un coeficiente Cd determinado experimentalmente, se involucra para considerar el uso de las suposiciones, entonces:

Cd es conocido como Coeficiente de Descarga. Un vertedero rectangular sin contracción es aquel cuyo ancho es igual al del canal de aproximación. Para este tipo de vertedero es aplicable la fórmula de Rehbock para hallar el valor de Cd:

Donde p es la altura de la cresta del vertedero medida desde el piso del canal. Un vertedero rectangular con contracción es aquel en el cual el piso y los muros del canal están lo suficientemente alejados del borde del vertedero y por lo tanto no influyen en el comportamiento del flujo sobre él. Para este tipo de vertedero es aplicable la fórmula de Hamilton-Smith para hallar el valor de Cd

EJEMPLOS DE CÁLCULOS



Cálculo del tirante: Para Q2 en el punto -1:



Cálculo de H: Para Q2:



Cálculo del caudal real: Para Q2. Base del vertedero= 0.282 m Velocidad (Q2) = 0.14 m/s Tirante en el punto -2= 0.2385 m



Cálculo del caudal teórico: Para Q2. H = 0.0545 m



Cálculo de v2 / 2g Para Q2, en el punto -2 Área en el punto -2 = 0.062604 m2 Qreal= 0.006698837 m3/s

Ahora :



Cálculo de energía. Para Q2, en el punto -2. Tirante en el punto -2 = 0.222 m V^2/2g = 0.00058 m

⁄

CUESTIONARIO.

1. Graficar Qexp vs. H, realizar una regresión Qexp. = CHn. Obtener el coeficiente C y los correspondientes coeficientes de descarga.

Qreal Vs. H Q real (m³/s)

0.016 0.014 0.012 0.01 Qreal = 0.1693*H0.9994

0.008 0.006 0.004 0.002 0 0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1 H (m)

2. Calcular el caudal calibrado o teórico. El caudal teórica calibrado o teórico se encuentra en la tabla de cálculos adjunta.

Q 1 2 3 4

Q teórico (mᶟ/s) 0.024068043 0.037571021 0.068074705 0.074474212

3. Comprobar con los valores obtenidos por el método de aforo de caudales.

4. Graficar Qexp. vs. Qteórico, realizar la regresión Qexp = Determinar el coeficiente de descarga para cada vertedero.

A + BQ T

Qreal (m³/s)

Qreal vs. Qteórico. 0.016 0.014 0.012 0.01 0.008

Qreal = 0.1487QT + 0.0035

0.006 0.004 0.002 0 0

0.02

0.04

0.06

0.08

Qteórico (m³/s)

5. Establezca y dibuje los perfiles de flujo. Perfiles de flujo para cada uno de los cuatro caudales.

Perfil de flujo (Q1) Tirante (m)

0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 -3

-2

-1

0

1

2

3

4

5 Punto

6

Perfil de flujo (Q2) Tirante (m)

0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 -3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

Punto

Perfil de flujo (Q3) Tirante (m)

0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 -3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

Punto

Perfil de flujo (Q4) Tirante (m)

0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 -3

-2

-1

0

1

2

3

4

5 Punto

6

6. Calcular los coeficientes de descarga con las formulas experimentales (Tabla 7.1 y 7.2 de la Hidráulica General de Sotelo) y verificar la validez de coeficientes experimentales obtenidos experimentalmente en el laboratorio. Analizar comportamiento y comentar. 

Ecuación de Sociedad de Ingenieros y Arquitectos Suizos: como el vertedero es rectangular sin contracciones, se dice que B=b, así:

Para Q1

Para Q2

Para Q3

Para Q4

7. Qué hipótesis se considera para la obtención de la expresión de la descarga real en vertederos de pared delgada y que contraposición se encuentra para el cálculo de la velocidad teórica. La velocidad teórica se calcula conociendo previamente el gasto o la descarga y luego por medio de tanteos se obtiene. Sin embargo, para obtener este gasto se considera que la velocidad de llegada es nula o despreciable, comparado con la magnitud de la descarga. 8. Qué consideraciones se deberían tener en cuenta si el vertedero se encuentra inclinado. En caso de que el vertedero se encuentre inclinado las condiciones a tener en cuenta han de ser las variaciones en la velocidad, ya que esta aumenta dependiendo de la inclinación del vertedero con respecto a la horizontal.

Las características de l flujo como el caudal y la geometría del vertedero van a ser constantes.

ANÁLISIS DE RESULTADOS.



Observando las tablas y el comportamiento del flujo en un canal se llega a ver que el caudal es igual en todo el canal, pero la velocidad no. Se puede llegar a considerar que el flujo aguas arriba del vertedero es constante y uniforme debido a esto tomamos las lecturas de velocidad con el micromolinete en esta sección.



Se puede afirmar o inferir que cuando sea mayor le tirante mayor sera el caudal que se traporta sobre le canal , esto apoyando en que el valor del tirante aumenta aumneto de igual forma el valor de caudal, es decir que estas dos valores tiene un a relacion directa .se comenta que la carga sobre el vertedero H aumenta de manera exponecial estrictamente creciente donde aumenta el 15 % aproximadamente respect al caudal.



Continuando con la observacion de caudales se llega a considerar que el cuadal teorico es el 15 % mayor al real debido a que no considera las pérdidas por fricción en el tramo, ni los efectos de tensión superficial. obviemnete estos caudales tiene una relacion lineal.



Viendo los perfiles de flujo Q4 y analizando el nivel de agua abajo del vertedero es lo suficientemente elevado para afectar la descarga, por lo tanto se dice que el vertedero puede estar ahogado.



Analizando los perfiles de flujo ,es pobible onsevera que el Q1 tiene una funcion de condicones de flujo aguas arriba antes del vertedero sin remanso dado a que se forma un tipo de resalto hidraulico debido al bajo cuadal que se trasporta. En los otros perfiles Q2,Q3 y Q4 la condicion de flujo que forma son con remanso debido al cuadal.



De manera experimental se observa que despues del vertedero osea aguas abajo se observa la creacion de burbujas debido a que las particulas pasan a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una descompresión del fluido.



Otro efecto observado en la práctica ;se logra a ver que el vertedero forma una cierta compuerta al cual al descargar el caudal está ocasiona una serie

de olas las cuales se disipan a lo largo de la longitud aguas arriba debido a los cambios de presión y velocidad ocasionado por una descarga brusca . 

Para todos los casos se ve que el vertedero forma un tipo de lámina deprimida debido a que el aire es arrastrado por el agua, ocurriendo un vacío parcial aguas abajo de la estructura, que modifica la posición de la vena.



Normalmente el coeficiente de descarga suele tomar valores comprendidos entre 0.64 y 0.79, debido a efectos de vena contracta e incluso de tensión superficial hay variaciones y esto causa que la relación entre los caudales experimental y teórico no sean similares en su totalidad, sin embargo en el ensayo realizado los valores varias bastante y no son coincidentes en su magnitud. Por ejemplo para el caso del caudal 3 el valor del caudal teórico es 0,068 y el del caudal real es 0,014 lo que daría un coeficiente de descarga de 0,199 que es un valor atípico para un vertedero rectangular.



Contra mayor es el valor del coeficiente de descarga, a una misma diferencia de altura del embalse, más caudal y por lo tanto más rápido podrá desembalsarse el depósito a través de la válvula, en este caso particular los coeficientes tomaron valores significativamente bajos, lo que indicaría un caudal bajo y un desembalsado menos rápido.



Los caudales hallados con la fórmula experimental de Hegly, se aleja un poco de los caudales reales hallados inicialmente, esto se puede deber a características propias del flujo o a imprecisiones/errores cometidos en el ensayo. Otro factor que puede influir es el mal uso de las variables expuestas en dicha ecuación experimental.

CONCLUSIONES.



A partir de ensayos como este, hechos en laboratorio se puede llegar a investigaciones macro conocidas como curva de calibración o patrona miento.



El vertedero rectangular es un buen elemento de investigación para medición del flujo de agua libre de sedimentos. Es fácil de construir, pero su rango de descarga es más restringido que el de otros tipos.



http://www.fing.uach.mx/licenciaturas/IC/2013/02/05/Manual_de_Hidraulica_ de_Canales.pdf

BIBLIOGRAFÍA.



http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/medidores/vertpareddelg/vertp areddelg.html (Marco Teórico).



http://biblioteca.usac.edu.gt/tesis/08/08_3356_C.pdf



Guías de Laboratorio Hidráulica I. Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia.



SOTELO ÁVILA, Gilberto. Hidráulica General. Volumen 1. Editorial Limusa, S.A de C.V. GRUPO NORIEGA EDITORES. BALDERAS 95, MÉXICO D.F. 1997.