• Author / Uploaded
• Nolbert Soberanis Soberanis.

• Categories
• Viscosidad
• Gases
• Ciencias fisicas
• Ciencia
• Ingeniero civil

Citation preview

FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL

MODULO

INGENIERIA SANITARIA

Abril, 2013

Página 1 de 38 Abril-2013

HIDRÁULICA 1

CONCEPTOS

La hidráulica es una rama de la física y la ingeniería que se encarga del estudio de las propiedades mecánicas de los fluidos. Todo esto depende de las fuerzas que se interponen con la masa (fuerza) y empuje de la misma. La Hidráulica General aplica los conceptos de la Mecánica de los Fluidos y los resultados de experiencias de Laboratorio en la solución de problemas prácticos que tienen que ver con el manejo del agua en almacenamientos y en conducciones a presión y a superficie libre.

Los conceptos de la Mecánica de Fluidos se resumen en tres capítulos: 1. ESTÁTICA 2. CINEMÁTICA 3. DINÁMICA En la Estática se estudia el agua en reposo; en la Cinemática se trata de las líneas de flujo y de las trayectorias y en la Dinámica se estudian las fuerzas que producen el movimiento del agua. De acuerdo con su variación en el tiempo el flujo del agua se clasifica como Permanente y Variable. Es Permanente cuando sus condiciones en un sitio determinado no cambian con el tiempo; en caso contrario el flujo se llama Variable o No permanente. En muchos problemas de Ingeniería, por ejemplo en el diseño de captaciones, conducciones, puentes, obras de protección contra la acción de ríos, estructuras de drenaje, etc., el flujo se trata como Permanente. Los estudios de Golpe de Ariete en conductos a presión, y de Avalanchas y de Tránsito de Crecientes en conducciones a superficie libre aplican los conceptos del Flujo No Permanente.

Eleazar Enrique Lozano García Ingeniero Sanitario

www.gisperu.com

Página 2 de 38 Abril-2013

2 2.1

APLICACIONES CONDUCCIONES ABIERTAS Y CERRADAS

Las conducciones se diseñan para transportar agua desde un punto de inicio hasta su disposición final en un depósito o en otro conducto de mayor tamaño. En el punto de inicio, o ENTRADA, el conducto recibe el agua desde una estructura de captación y luego a lo largo de su recorrido puede recibir caudales adicionales que entran lateralmente. La disposición final del caudal se hace en el sitio de ENTREGA. La conducción es abierta cuando por encima de la superficie del agua no existe ningún elemento, por ejemplo una tapa, que la separe de la atmósfera. En este caso el conducto tiene orillas y el flujo es a superficie libre. Cuando la sección transversal del conducto tiene la forma de una figura geométrica cerrada, por ejemplo un círculo, un rectángulo o cualquier sección con tapa, la conducción es cerrada. Si en este tipo de conducciones el agua llena completamente la sección de flujo el conducto funciona a presión; en caso contrario el conducto funciona parcialmente lleno con flujo a superficie libre. Debido a que en el diseño de una conducción puede resultar conveniente realizar cambios de alineamiento, de sección transversal, de pendiente, o de materiales a lo largo de su recorrido, es conveniente dividir la longitud total de la conducción en tramos. Cada tramo se considera como un CONDUCTO PRISMÁTICO porque está diseñado en un mismo material, y sus características geométricas: sección transversal, pendiente, y alineamiento se mantienen constantes. Un tramo se empalma con los tramos adyacentes por medio de transiciones de entrada y de entrega, las cuales se calculan por métodos hidráulicos convencionales. 2.2

CANALES

Los canales son conducciones con flujo a superficie libre. Dentro de su estudio se incluyen los canales naturales y los canales artificiales. En los canales se diseñan estructuras que permiten el control de los caudales y facilitan las condiciones de flujo. Entre estas estructuras se cuentan obras de entrada, captaciones, transiciones, rápidas, vertederos de exceso, vertederos laterales y obras de entrega. 2.3

CONDUCTOS A PRESIÓN

Son conductos cerrados que funcionan llenos. Aunque su sección transversal no es siempre circular se conocen usualmente como Tuberías. El movimiento del líquido se produce por diferencias de Energía Hidráulica a lo largo del conducto. La Energía Hidráulica (H) tiene tres componentes que son la Energía Potencial (Z), la Presión Interna (h) y la Energía Cinética (hv) del líquido en movimiento. La relación entre ellas se analiza por medio de la ecuación de Bernoulli: H = Z + h + hv 2.4

ESTACIONES DE BOMBEO

Cuando la Energía Hidráulica de que se dispone en un conducto a presión no es suficiente para cumplir con los requerimientos del diseño se instalan estaciones de bombeo en las cuales se incrementa la Energía existente mediante la aplicación de una energía externa. La estación de bombeo consta de una o varias bombas con sus

Eleazar Enrique Lozano García Ingeniero Sanitario

www.gisperu.com

Página 3 de 38 Abril-2013

correspondientes pozos de bombeo, tuberías de succión y descarga, y de las instalaciones civiles y electromecánicas adecuadas para su operación. 2.5

ACUEDUCTOS Y ALCANTARILLADOS

Captaciones, desarenadores, conducciones, estaciones de bombeo, tanques de almacenamiento, plantas de tratamiento, redes de distribución, instalaciones domiciliarias, desagües sanitarios y de aguas lluvias. 2.6

RIEGO Y DRENAJE

Captaciones, desarenadores, conducciones, estaciones de bombeo, redes de distribución, aplicación del riego, drenaje agrícola. 2.7

GENERACIÓN HIDROELÉCTRICA

Captaciones, desarenadores, conducciones, tanques de carga, conductos de alta presión, turbo máquinas, canal de fuga o de descarga, drenajes.

Eleazar Enrique Lozano García Ingeniero Sanitario

www.gisperu.com

Página 4 de 38 Abril-2013

FLUIDO Un fluido es una sustancia o medio continuo que se deforma continuamente en el tiempo ante la aplicación de una solicitación o tensión tangencial sin importar la magnitud de ésta. FLUIDO NEWTONIANO

Un fluido newtoniano es un fluido cuya viscosidad puede considerarse constante en el tiempo. El mejor ejemplo de este tipo de fluidos es el agua en contraposición al pegamento, la miel o los geles que son ejemplos de fluido no newtoniano. Un buen número de fluidos comunes se comportan como fluidos newtonianos bajo condiciones normales de presión y temperatura: el aire, el agua, la gasolina, el vino y algunos aceites minerales. VISCOSIDAD Y TEMPERATURA

A medida que aumenta la temperatura de un fluido líquido, disminuye su viscosidad. Esto quiere decir que la viscosidad es inversamente proporcional al aumento de la temperatura. LA VISCOSIDAD

La viscosidad es la oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales. Un fluido que no tiene viscosidad se llama fluido ideal. En realidad todos los fluidos conocidos presentan algo de viscosidad, siendo el modelo de viscosidad nula una aproximación bastante buena para ciertas aplicaciones. La viscosidad sólo se manifiesta en líquidos en movimiento, ya que cuando el fluido está en reposo, la superficie permanece plana. EXPLICACIÓN DE LA VISCOSIDAD

Imaginemos un bloque sólido (no fluido) sometido a una fuerza tangencial (por ejemplo: una goma de borrar sobre la que se sitúa la palma de la mano que empuja en dirección paralela a la mesa.) En este caso (a), el material sólido opone una resistencia a la fuerza aplicada, pero se deforma (b), tanto más cuanto menor sea su rigidez. Si imaginamos que la goma de borrar está formada por delgadas capas unas sobre otras, el resultado de la deformación es el desplazamiento relativo de unas capas respecto de las adyacentes, tal como muestra la figura (c).

(Deformación de un sólido por la aplicación de una fuerza tangencial)

En los líquidos, el pequeño rozamiento existente entre capas adyacentes se denomina viscosidad. Es su pequeña magnitud la que le confiere al fluido sus peculiares características; así, por ejemplo, si arrastramos la superficie de un líquido con la palma de la mano como hacíamos con la goma de borrar, las capas inferiores no se moverán o lo harán mucho más lentamente que la superficie ya que son arrastradas por efecto de la pequeña resistencia tangencial, mientras que las capas superiores fluyen con facilidad. Igualmente, si revolvemos con una cuchara un recipiente grande con agua en el que hemos depositado pequeños trozos de corcho, observaremos que al revolver en el centro también se mueve la periferia y al revolver en la periferia también dan vueltas los trocitos de corcho del centro; de nuevo, las capas cilíndricas de agua se mueven por efecto de la viscosidad, disminuyendo su velocidad a medida que nos alejamos de la cuchara. Eleazar Enrique Lozano García Ingeniero Sanitario

www.gisperu.com

Página 5 de 38 Abril-2013

Cabe señalar que la viscosidad sólo se manifiesta en fluidos en movimiento, ya que cuando el fluido está en reposo adopta una forma tal en la que no actúan las fuerzas tangenciales que no puede resistir. Es por ello por lo que llenado un recipiente con un líquido, la superficie del mismo permanece plana, es decir, perpendicular a la única fuerza que actúa en ese momento, la gravedad, sin existir por tanto componente tangencial alguna. Si la viscosidad fuera muy grande, el rozamiento entre capas adyacentes lo sería también, lo que significa que éstas no podrían moverse unas respecto de otras o lo harían muy poco, es decir, estaríamos ante un sólido. Si por el contrario la viscosidad fuera cero, estaríamos ante un súper fluido que presenta propiedades notables como escapar de los recipientes aunque no estén llenos. La viscosidad es característica de todos los fluidos, tanto líquidos como gases, si bien, en este último caso su efecto suele ser despreciable, están más cerca de ser fluidos ideales.

Eleazar Enrique Lozano García Ingeniero Sanitario

www.gisperu.com

Página 6 de 38 Abril-2013

FLUJO EN TUBERÍAS Uno de los aspectos de la dinámica de fluidos es el comportamiento de los flujos de fluidos, es decir, el movimiento de estos últimos.

1

LA ECUACIÓN DE CONTINUIDAD

La conservación de la masa de fluido a través de dos secciones (sean éstas A1 y A2) de un conducto (tubería) o tubo de corriente establece que: la masa que entra es igual a la masa que sale.

Definición de tubo de corriente: superficie formada por las líneas de corriente. Corolario 2: solo hay tubo de corriente si V es diferente de 0. La ecuación de continuidad se puede expresar como:

ρ1.A1.V1 = ρ2.A2.V2

Cuando ρ1 = ρ2, que es el caso general tratándose de agua, y flujo en régimen permanente, se tiene: A1.V1 = A2.V2

o de otra forma: Q1 = Q2

Donde: Q = Caudal (m3 / s) V = Velocidad (m / s) A = Área transversal del tubo de corriente o conducto (m2) Que se cumple cuando entre dos secciones de la conducción no se acumula masa, es decir, siempre que el fluido sea incompresible y por lo tanto su densidad sea constante. Esta condición la satisfacen todos los líquidos y, particularmente, el agua. En general la geometría del conducto es conocida, por lo que el problema se reduce a estimar la velocidad media del fluido en una sección dada.

Eleazar Enrique Lozano García Ingeniero Sanitario

www.gisperu.com

Página 7 de 38 Abril-2013

2

TEOREMA O ECUACIÓN DE BERNOULLI •

•

• •

Un cuerpo de masa m situado a una altura z, posee una energía potencial o de posición, referida al plano de referencia situado en cota cero: Ep = mgz. El término z representa por tanto la energía potencial del fluido por unidad de peso, y se le designa como altura de posición. El término p /ρ g representa la energía necesaria para elevar la unidad de peso del elemento de fluido hasta la altura p /ρ g. Se le denomina altura de presión. A la suma de las alturas de potencial y de presión se le conoce como altura piezométrica, porque se corresponde con la altura de columna observada con un tubo piezométrico conectado a una conducción con un líquido. Finalmente, el término v2 / 2g representa la energía cinética por unidad de peso del elemento de fluido y se le llama altura de velocidad. Se denomina carga o altura de energía, H, a la suma de la altura de velocidad más la altura piezométrica, es decir, a la suma de los tres términos de cada miembro en la ecuación de Bernoulli:

Eleazar Enrique Lozano García Ingeniero Sanitario

www.gisperu.com

Página 8 de 38 Abril-2013

3

PÉRDIDAS CONTINUAS

Las pérdidas por rozamientos son función de la rugosidad del conducto, de la viscosidad del fluido, del régimen de funcionamiento (flujo laminar o flujo turbulento) y del caudal circulante, es decir de la velocidad (a más velocidad, más pérdidas). Para expresar las pérdidas longitudinales existen multitud de formulaciones, todas ellas tienen en cuenta los siguientes conceptos: • • •

A mayor caudal circulante por la tubería, mayores son las pérdidas. A mayor rugosidad en la tubería, mayores son las pérdidas. A menor diámetro de la tubería, mayores son las pérdidas.

Si es L la distancia entre los puntos 1 y 2 (medidos a lo largo de la conducción), entonces el coeficiente (pérdidas (1,2)) / L representa la pérdida de altura por unidad de longitud de la conducción se le llama pendiente de la línea de energía. Denominémosla S Cuando el flujo es turbulento (número de Reynolds superior a 4.000; 2000