• Author / Uploaded
• Steven Hugo Guadamur

• Categories
• Descarga (hidrología)
• Canal
• Agua
• Naturaleza

Citation preview

UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLAREAL MECANICA DE FLUIDOS

VERTEDERO PICO DE PATO

1. RESUMEN Los conocimientos realizados durante el desarrollo de una práctica de laboratorio, haciendo uso de los materiales, instrumentos y equipos de laboratorio, constituyen una oportunidad única para familiarizarse de los hechos y leyes que rigen la Mecánica de Fluidos. Cuando la descarga de un líquido se efectúa por encima de un muro o una placa y a superficie libre, la estructura hidráulica en la que ocurre esta descarga se llama Vertedor. Este puede presentar diferentes formas según las finalidades a que se destine. Así, cuando la descarga se efectúa sobre una placa con perfil de cualquier forma, pero con arista aguda, el vertedor se llama de pared delgada; por el contrario, cuando el contacto entre la pared y la lámina vertiente es más bien toda una superficie, el vertedor es de pared gruesa. Este informe tiene como objetivo fundamental estudiar, analizar y comparar el comportamiento de caudales tomados experimentalmente en el laboratorio en tipo de vertedero pico de pato con sus respectivos caudales teóricos. El control de la elevación del nivel de agua en un sistema de canales de distribución, uno de los requisitos más importantes no solo es asegurar la distribución de agua, sino que también la calidad de los servicios de gestión. El vertedero pico de pato que lleva este nombre debido a la forma que tiene, este vertedero permite controlar el nivel de agua a una altura dada dentro de límites relativamente estrechos. La altura y longitud del vertedero se determinan en relación con el vertido que paso sobre la cresta del vertedero y los requisitos de fluctuación máxima permisible. Los vertederos de pico de pato están situados justamente agua debajo de las tomas. A fin de reducir el número de estructuras, las tomas se agrupan en pares. Debido al largo coronamiento de los vertederos de pico de pato, la variación en el nivel del agua con descargas del canal que van de 0 y a plena capacidad es de menos de 10cm. Cada toma tiene un juego de cuatro distribuidores que proporcionan un caudal constante de 5, 10, 15 y 30 l/cuando están completamente abiertos. El diseño y el funcionamiento de la compuerta y del aforador de garganta en la cabecera del canal principal son los mismos.

2. INTRODUCCIÓN Un vertedero consiste en una obstrucción en un canal, donde se obliga la descarga del fluido represado, el cual pasa a través de una abertura con forma determinada. Los vertederos son ampliamente utilizados para medir el caudal a través del canal; para ello se emplea la relación entre el nivel de líquido aguas arriba del vertedero y el caudal circulante, es decir, la altura de la superficie del líquido. El cálculo de la relación de flujo sobre un vertedero requiere el uso de un coeficiente de descarga, determinando empíricamente, el cual representa la relación entre el caudal real y el teórico. Mediante al análisis dimensional se puede determinar que el coeficiente de descarga Cq, es una función de H / P, el número de Reynolds y de Weber, sin embargo, en la mayoría de los casos prácticos estos dos últimos son despreciables. Existen varios tipos de vertederos. Para el desarrollo de esta práctica se utilizará un vertedero pico de pato. Estos son denominados vertederos de pared delgada. El vertedero pico de pato es útil para medir caudales volumétricos relativamente pequeños. El desarrollo de esta práctica de laboratorio consiste en determinar el coeficiente de descarga para vertedero pico de pato y establecer la variación entre los caudales reales y teóricos y mayores pérdidas de energía. Este informe contiene tablas de los resultados obtenidos para los caudales teóricos y experimentales, al igual contiene gráficas que permiten comparar las pérdidas para el vertedero y determinar cuál es el caudal más conveniente para ciertas ocasiones y los errores obtenidos para cada uno. Todos los resultados obtenidos se observen de manera detallada en los análisis de resultados y sus posibles causas.

3. OBJETIVOS GENERALES  conocer cómo se diseña un vertedero pico de pato.  analizar los criterios de diseño para el vertedero pico de pato.  Diseñar un vertedero pico de pato.  Obtener criterios para diseñar un vertedero pico de pato.

4. OBJETIVOS ESPECÍFICOS  Determinar la longitud del vertedero pico de pato.  Determinar la carga de agua en el vertedero pico de pato y que la misma no supere los límites recomendados.  Determinar el caudal que pasa por el vertedero pico de pato.  Determinar la altura de los muros de seguridad para el vertedero pico de pato.

5. FUNDAMENTO TEÓRICO 5.1

CAUDAL En dinámica de fluidos, caudal es la cantidad de fluido que pasa en una unidad de tiempo. Normalmente se identifica con el flujo volumétrico o volumen que pasa por un área dada en la unidad de tiempo. Menos frecuentemente, se identifica con el flujo másico o masa que pasa por un área dada en la unidad de tiempo.

5.2

VERTEDERO Se define como vertedero a la estructura que sirven para evacuar los excesos de un depósito o embalse, y que está por encima del nivel de operación, sirve para regular el nivel de agua. Un vertedero es una represa, sobre la cual se obliga que líquidos fluyan. Los vertederos se utilizan para medir el flujo de los líquidos en canales abiertos o en ductos que no fluyen

llenos; es decir, en donde hay una superficie liquida libre. Los vertederos se usan casi exclusivamente para medir el flujo de agua, aunque algunos pequeños se emplean para medir otros líquidos. En general, un vertedero se puede interpretar como una barrera que se interpone al flujo, para causar una elevación en el nivel de aguas arriba y una baja aguas abajo. El control en el nivel de embalses, canales, depósitos, aforo o medición de caudales, son dos de las principales funciones de los vertederos en el campo de la ingeniería. Los vertederos pueden ser clasificados de diferentes maneras, ya sea por su forma geométrica o su finalidad. Un vertedero donde se realiza una descarga sobre una placa de perfil cualquiera, pero con arista aguda, se llama vertedor de pared delgada. Si el contacto entre la lámina de descarga y la pared del vertedero es una superficie, el vertedero será de pared gruesa. Según su forma geométrica, pueden ser triangulares, rectangulares, trapezoidales, circulares, etc., todo depende de la función que esta ira a cumplir.

5.2.1 PARTES QUE CONFORMAN LA ESTRUCTURA DEL VERTEDERO Los vertederos no son estructuras muy complejas están compuestas principalmente por:  Plataforma: es donde se apoya la cresta con una altura determina ¨P¨. 

Cresta: es la parte superior del vertedero.

 Bordes laterales: Son las alas por donde baja el agua con una pendiente determinada.  Corredor: es por donde corre el agua 'hacia el cuenco.  Cuenco: aquí el agua alcanza a disminuir su velocidad y alzar el nivel del rio.

 Obras de amortiguación y crecida: estas no son obligatorias dependiendo del flujo que se tenga un ejemplo de estas son los dados amortiguadores.

5.2.2 CLASIFICACIÓN DE LOS VERTEDEROS 5.2.2.1

CLASIFICACIÓN POR LA FORMA a) vertedero Rectangular: Son los más comunes, y se usan para todo tipo de proyecto. b) vertedero Triangular: usualmente usados para medición de caudales pequeños. c) vertedero Circular: es de uso poco común a pesar de su fácil construcción y no requerir nivelación en la cresta. d) vertedero Trapezoidal: compensa la depreciación del caudal por las contracciones laterales a trav0s de las partes triangulares del vertedero, con la ventaja de evitar la corrección en los cálculos. es de difícil construcción.

5.2.2.2

CLASIFICACIÓN POR EL TIPO DE PARED a) vertedero de Cresta Ancha: Se usan principalmente para el control de ríos o pueden tambi0n ser utilizados en laboratorios.

b) vertedero de Cresta Delgada: Sirve para hacer aforos, utilizado principalmente en laboratorios. c) vertedero con Perfil hidráulico: evita desgaste de la estructura y ayuda tener un mejor comportamiento de flujo, permitiendo la máxima descarga. 5.2.2.3

CLASIFICACIÓN POR LAS CONTRACCIONES a) vertederos con contracciones: este tipo de vertedero se tiene cuando el ancho del canal es mayor que el del vertedero, entonces se producen contracciones del agua en las paredes del vertedero, cuando se tiene este tipo de vertedero se requiere realizar correcciones. b) vertederos sin contracciones: Se tiene cuando el canal tiene el mismo ancho que el del vertedero no se producen contracciones, puesto que el agua sigue el mismo curso.

5.2.2.4

CLASIFICACIÓN POR EL NIVEL DE AGUA a) vertedero Sumergido: es cuando la cota de la cresta es menor que el nivel aguas debajo de la estructura. b) vertedero Libre: Se tiene este tipo de estructura cuando el nivel aguas debajo de la estructura es menor que la cresta del vertedero.

5.2.2.5

OTROS a) Vertedero tipo laberinto: este tipo de vertedero se utiliza generalmente donde se requiere determinada longitud y esta no se dispone en el terreno y es necesario generar longitud mediante estructuras en zigzag, estas

estructuras o módulos, pueden constituirse por medio de triangulo, rectángulos y trapecio.

b) vertedero Tipo Abanico: este tipo de vertedero generalmente se emplea cuando se pretende tener menor excavación manteniendo la longitud de vertedero, esta estructura es un cimacio tipo creager curveado con relación a la dirección del escurrimiento, que resbala al corredor donde se produce el resalto. en la generalidad de los casos, para evacuar el agua hacia el cuenco disipador se consideran dos rápidas, el diseño de la primera consiste en determinar la pendiente de la misma manera que el calado de agua en ella sea igual al calado contraído en el talón del vertedero, a fin de evitar la formación de un resalto hidráulico que pueda sumergir la estructura. La pendiente de la segunda rápida depende la topografía del sitio de emplazamiento, el diseño consiste en determinar los calados de agua que se genera en ella y las propiedades del flujo a la entrada del cuenco disipador (calado y numero de Froude).

6. VERTEDERO PICO DE PATO Los vertederos picos de pato están situados justamente aguas abajo de la toma y no tiene partes móviles. Son frecuentemente utilizados en canales de riego, ya que garantiza un nivel aguas arriba con poca variación, debido a que desarrolla una gran longitud y tiene su eje geometrico de manera que facilita la salida del agua de manera uniforme. esta longitud es desarrollada a lo largo de una superficie maciza de hormigón armado en forma de pico de pato es por ello de su nombre peculiar, como se observa en la figura.

Las técnicas de modernización con el vertedero pico de pato pueden aplicarse a canales revestidos existentes, es importante resaltar que las represas clásicas previstas para el control de los niveles, pero el vertedero pico de pato causa una perdida de carga y una sobre elevación de la línea de agua máxima en el canal, aguas arriba del canal de la estructura. En situaciones normales, el ancho disponible en los canales de distribución suele ser insuficiente para dar cabida a un vertedero transversal, es por eso que ante esta condición se ha dado lugar al desarrollo de un vertedero ubicado en diagonal, que tenga una gran longitud de cresta; el vertedero pico de pato, este vertedero tiene una disposición estructural económica, proporcionando una capacidad optima de descarga en relación con la longitud de la estructura y cantidad de material de construcción. La gran ventaja de este vertedero es su simplicidad en la construcción y mantenimiento y su fiabilidad en el funcionamiento, pero su manejo es muy difícil. En sistemas de canales donde exista la concentración de sedimentos es una preocupación que el nivel del agua en el vertedero pico de pato se eleve, sin embargo, este problema puede ser evitado

mediante el diseño de compuertas en el suelo de la estructura para la limpieza del vertedero pico de pato. Con relación a una buena regulación se deben señalar los aspectos siguientes:  Referencia al primer criterio: nivel constante agua arriba de los vertederos. 

Referencia al segundo criterio: El tiempo de respuesta es largo.

 Referencia al tercer criterio: No existe ninguna reserva. Por el contrario, se debe hablar más bien de reservas negativas, ya que, si se desea aumentar el gasto, se deberá aumentar en primer lugar el gasto en el inicio y esperar a que el suplemento del gasto compense el desequilibrio (inversamente en caso de reducción al gasto de una toma).  Referencia al cuarto Criterio: Existe una ayuda hidráulica entre los diferentes tramos, pero solamente después de las maniobras efectuadas agua arriba.  Referencia al quinto criterio: La estabilidad está asegurada. Son frecuentemente utilizados en canales de riego, ya que garantizar un nivel aguas arriba con poca variación, debido a que desarrolla una gran longitud y tiene su eje geométrico de manera que facilita la salida del agua de manera uniforme. Esta longitud es desarrollada a lo largo de una superficie maciza de hormigón armado en forma de pico de pato es por ello de su nombre peculiar.

6.1

FUNCIONAMIENTO GENERAL El vertedor mantiene un nivel variable en un cierto rango aguas arriba. Las tomas de agua con módulos aforadores deberán situarse por lo tanto lo más próximo posible del vertedor. La línea de agua varía entre la horizontal de Q=0 y la línea de Q_max. Los bordes serán paralelos a la línea de Q_max.

Este tipo de dispositivos de regulación implica una pequeña sobreelevación de nivel de agua con respecto a la línea de escurrimiento uniforme de Q_max , debido a la pérdida de carga necesaria para el funcionamiento del vertedor. Estos vertedores deben ser suficientemente largos para que la lámina de agua sobre la cresta sea preferentemente del orden de 10 a 30 cm. El vertedor denominado “Pico de Pato” es el más utilizado ya que permite obtener una longitud de cresta.  Ajuste de un nivel de agua poco variable en las tomas de manera que los gastos suministrados sean constantes cualquiera que sea el estado de la red y el funcionamiento de las otras formas.  Reducción de los tiempos de respuesta de la red.

 Disponibilidad de capacidad de almacenamiento de agua para responder instantáneamente a las variaciones de la demanda.  Ayuda entre los diferentes almacenamientos de los tramos de un canal (para responderlos rápidamente).

 Estabilidad de funcionamiento del sistema de regulación.

6.2 6.3

PROCEDIMIENTO DE DISEÑO. PRUEBA EN LABORATORIO. a) Colocación en el canal La primera prueba en laboratorio fue el día 12/06/2018. El principal problema q se observó fue la fuga de agua por los lados laterales y por la base, la junta del canal con la base del

vertedero, la solución que le dimos fue recubrirlo con silicona, llegando a sellar la fuga de agua.

b) Soporte en la base El diseño de la plataforma fue diseñado para ser puesto en el canal, en el laboratorio al tratar de sentar la plataforma el diseño del canal no resultaba uniforme, teniendo perdidas de agua por la base. La solución que le dimos fue sentar la base sobre una plataforma de Tecnopor con las medidas del

canal hidráulico de laboratorio, recubriendo con plástico y silicona.

Recubrimiento de plástico

Silicona

c) Llenado de agua El llenado de agua se realizó después de la puesta del vertedero y sellado de las fugas de agua, se llenó con el caudal en diseño y observamos el funcionamiento del vertedero pico de pato.

Puesta de la manguera

d) Funcionamiento del vertedero

7. CONCLUSIONES  Los vertederos pico de pato son vertederos que nos ayudan a regular el caudal, el flujo y el nivel variable aguas arriba.

 Estos vertederos se encuentran situados debajo de las tomas con el único propósito de minorar las estructuras hidráulicas necesarias.  El agua sobre la cresta debe encontrarse entre los 10 – 30 cm  Estos dispositivos implican una pequeña sobreelevación de nivel de agua con respecto a la línea de escurrimiento uniforme, debido a la pérdida de carga necesaria para el funcionamiento del vertedor.  La velocidad del vertedero debe ser mayor a la velocidad en el canal, para evitar pérdidas de carga.  Q vertedero < Q pasa por el vertedero. 8.

RECOMENDACIONES  Este tipo de estructuras son eficientes para canales de riego.  Se recomienda utilizar la ecuación de Manning, tomando en cuenta el material que se usa.  Se recomienda no considerar las pérdidas de energía.  Este tipo de estructuras son recomendables para regular el flujo.

9. ESQUEMA GENERAL

GRACIAS