informe 03. salto hidráulico

8/17/2019 Informe 03. Salto Hidráulico

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Informe Práctica Nº 3:

INFORME PRÁCTICA Nº 3: SALTO HIDRÁULICO

1.

OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA

1.1. OBJETIVO GENERAL

Estudiar experimentalmente en un canal rectangular el salto hidráulico, determinargráficamente la disipación de energía en el mismo, hallar la longitud del salto, y verificarlas ecuaciones teóricas para tal caso.

1.2. OBJETIVO ESPECÍFICO

Calcular el número de Froude en cada sección y para cada caudal. Clasificar el

régimen de flujo.

Calcular las relaciones (/) y (/) usando de los datos experimentales yecuaciones teóricas. Comparar sus resultados.

Determinar las pérdidas de energía y calcular la eficiencia del salto. Determinar la altura y la longitud del salto usando ecuaciones teóricas y datos

experimentales. Con los datos obtenidos, clasificar los saltos hidráulicos observados.

2. FUNDAMENTO TEÓRICO

2.1.

SALTO HIDRÁULICO

El salto Hidráulico se define como la elevación brusca de la superficie líquida, cuandoel escurrimiento permanente pasa del régimen supercrítico al régimen subcrítico. Esun fenómeno local muy útil para disipar energía hidráulica. Este cambio brusco derégimen se caracteriza por una alteración rápida de la curvatura de las trayectorias delflujo, que produce vórtices (turbulencia) en el eje horizontal, lo que implica inclusive laaparición de velocidades en dirección opuesta al flujo que propician choques entrepartículas en forma más o menos caótica, ocasionando una gran disipación de energía.



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2.2.

APLICACIONES DEL SALTO HIDRÁULICO

En el campo del flujo en canales abiertos el salto hidráulico suele tener muchasaplicaciones entre las que están:

La disipación de energía en flujos sobre diques, vertederos, presas y otrasestructuras hidráulicas y prevenir de esta manera la socavación aguas debajo delas estructuras.

El mantenimiento de altos niveles de aguas en canales que se utilizan parapropósitos de distribución de agua.

Incrementos del gasto descargado por una compuerta deslizante al rechazar elretroceso del agua contra la compuerta, esto aumenta la carga efectiva y con ellala descarga.

La reducción de la elevada presión bajo las estructuras mediante la elevación deltirante del agua sobre la guarnición de defensa de la estructura.

La mezcla de sustancias químicas usadas para la purificación o tratamiento de

agua. La aireación de flujos y el desclorinado en el tratamiento de agua. La remoción de bolsas de aire con flujo de canales abiertos en canales circulares.

La identificación de condiciones especiales de flujo con el fin de medir la razónefectividad-costo del flujo.

Recuperar altura o aumentar el nivel del agua en el lado de aguas debajo de unacanaleta de medición y mantener un nivel alto del agua en el canal de irrigacióno de cualquier estructura para distribución de aguas.

2.3.

ENERGÍA ESPECÍFICA Y FUERZA ESPECÍFICA

Se define como energía específica () de una sección normal de una conducción libre,al valor de la carga total cuando el nivel de referencia coincide con el fondo de laconducción en dicha sección. Para canales con pendiente suave y distribución bastanteuniforme de la velocidad la expresión de la energía específica es:

= + 2

Donde : Energía específica.

: Profundidad de circulación.

: Velocidad media del flujo.: Aceleración de la gravedadPara un gasto determinado (), la velocidad es ⁄ . Por consiguiente:

= + 2



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En la fig. 2 se muestra un gráfico de la variación de la energía específica con laprofundidad, que resulta útil para visualizar los posibles regímenes de flujo en un canal.

Fig. 2.- Energía específica

Las características importantes de dicha curva son:

La línea de 45° en la gráfica representa la relación = . La distancia horizontal a esta línea de 45° desde el eje Y representa la energía

potencial . La distancia que queda a la curva de energía específica es la energíacinética /2.

El valor mínimo de se presenta cuando el régimen es crítico (número deFroude, NF=1). La profundidad que corresponde a la energía específica mínimaes por este motivo llamada profundidad crítica ().

Para cualquier profundidad mayor que , el flujo es subcrítico.

Para cualquier profundidad menor que , el flujo es supercrítico.

Para cualquier nivel de energía más grande que el mínimo, existen dosprofundidades diferentes: tanto debajo de la profundidad crítica (), como arriba de la , tienen la misma energía. En el caso de la el flujo essupercrítico y mucha de la energía es energía cinética debido a la alta velocidadde flujo. A la profundidad más grande el flujo es más lento y solamente unapequeña porción de la energía es energía cinética. Las dos profundidades y

se llaman profundidades alternativas para la energía específica

.

2.4. FUERZA ESPECÍFICA

En el salto hidráulico se incrementa en forma abrupta la profundidad, si no se perdieraenergía la nueva profundidad sería la profundidad alterna. Sin embargo, puesto que hayuna disipación apreciable de energía (), la nueva profundidad real corresponde al



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nivel de energía . El nombre con el que se conoce la profundidad real después delsalto es el de profundidad secuencial o conjugada del salto.

Para poder determinar la profundidad conjugada del salto es necesario aplicar elprincipio de fuerza específica. La fuerza específica () se define por la expresión:

= + ̅

Donde : Fuerza específica.: Gasto que circula por la sección. : Área mojada. ̅: Profundidad a la que se encuentra el centroide del área mojada medidadesde la superficie del agua en una sección normal.: Aceleración de la gravedad.

Como tanto

como

̅son funciones de la profundidad de circulación del agua, se puede

establecer una relación entre la fuerza específica () y la profundidad () que puederepresentar se gráficamente como:

Fig. 3.- Fuerza específica

De la curva de fuerza específica se puede sacar las siguientes conclusiones:

Para un gasto dado, cuando la profundidad de circulación es la crítica, la fuerza

específica es mínima. Para un gasto dado existen dos profundidades para las cuales la fuerza específica

es la misma. Estas profundidades se denomina profundidades conjugadas. La porción superior de la curva representa condiciones de régimen subcrítico y

la porción inferior de régimen supercrítico.



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Para una fuerza específica dada, una de las profundidades conjugadas essubcrítica y se llama profundidad conjugada superior, mientras que la otra essupercrítica y se llama profundidad conjugada inferior.

Entre la sección inicial y final del salto se produce la conservación de la fuerzaespecífica.

2.5. CARACTERÍSTICAS DEL SALTO HIDRÁULICO

A partir de las suposiciones de una distribución uniforme de velocidades e hidrostáticade presiones en las secciones inicial y final del salto, y considerando despreciables laspérdidas por fricción sobre el lecho y las paredes entre ambas secciones, se obtiene larelación entre la profundidad de circulación a la entrada () y la profundidad de

circulación a la salida () del salto:

=12

1 + 8 1

2

− 1 ,

=12

1 + 8 2

2

− 1

Las pérdidas de energía en el salto (∆) cuando se trata de un canal de pendientehorizontal se pueden calcular por las siguientes ecuaciones:

∆ = 2 + − 2 −

ó también

∆ = ( − )3

4

La eficiencia del salto () está dada por la relación entre las energías específicas al final delsalto y al inicio de este. Es una medida del porcentaje de energía remanente luego de ocurrir elsalto:

= + 2 + 2

·100, = (8 − 1)3/ −4 + 18(2 + )

La altura del salto () es la diferencia de niveles entre la sección de salida y la de entrada delsalto:

= −

La longitud del salto () es la distancia horizontal desde la entada de este hasta lasección donde alcanza la profundidad conjugada. Se puede determinar aproximada-mente por la relación:

= 5( − )



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2.6.

TIPOS DE SALTOS HIDRÁULICOS

El tipo de salto hidráulico que será estudiado en el laboratorio es el que se produce enun canal de sección transversal rectangular de fondo horizontal. Esencialmente existencinco formas de salto que pueden ocurrir en este caso, cada una de estas formas se

clasificó de acuerdo con el valor del número de Froude, relativo al régimen supercríticode la corriente:

Salto ondular.- Para un Fr entre 1,0 y 1,7. Es apenas perceptible la existencia delsalto y sólo se observa una ligera ondulación en la superficie del agua. L disipaciónde energía en mínima.

Fig. 4.- Salto ondular

Salto débil.- Para un NF entre 1,7 y 2,5. Se observa la presencia del salto. Este tipose caracteriza por la formación de una serie de remolinos sobre la superficie desalto, pero la superficie del agua hacia aguas abajo permanece uniforme. La pérdidade energía es baja.

Fig. 5.- Salto débil

Salto oscilante.- Para un NF entre 2,5 y 4,5. Su comportamiento es muy inestable,su superficie desciende y se eleva alternativamente, y su ubicación avanza yretrocede. Toda esa inestabilidad provoca olas que se propagan aguas abajo ypueden dañar el lecho del canal.

Fig. 6.- Salto oscilante



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Salto estable.- Para un NF entre 4,5 y 90. Tiene una configuración muy biendefinida. No provoca alteraciones del flujo aguas abajo. Logra la disipación de un45% a un 70% de la energía, por lo que es muy utilizado para la disipación deenergía y para lograr mezclas.

Fig. 7.- Salto estable

Salto Fuerte.- Para un NF mayor a 9,0. Debido la altura que alcanzan estos saltos, lamasa de agua espumosa y con remolinos se desplaza hacia aguas abajoconstantemente y de nuevo es alzada por el chorro de agua, dando la impresión deser agua en estado de ebullición. Su longitud no se puede determinar con precisión.

Disipa hasta un 85% de la energía.

Fig. 8.- Salto fuerte

2.7. NÚMERO DE FROUDE

Recordemos que el número de Froude se define como:

= = 2 =

Donde : Número de Froude, adimensional.: Fuerzas de inercia.: Fuerzas de gravedad.: Velocidad media del flujo en el conducto, en m/s.

: Longitud característica, en conducciones libres es la profundidad hidráulica (D),

en m.: Aceleración de la gravedad, en m2/s.

De acuerdo al número de Reynolds, el flujo se clasifica en:

Régimen crítico: = 1, =

Régimen subcrítico: < 1, <

Régimen supercrítico: < 1, <



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3. PROCEDIMIENTO DE LA PRÁCTICA

El procedimiento seguido en la realización de esta práctica fue el siguiente:

1. Se anotaron los datos de la ecuación del vertedor: = .2. Se midió el ancho del canal rectangular (

), en cm.

3.

Se hizo pasar un gasto por el canal y la compuerta deslizante colocada en la entrada,hasta lograr la formación del salto hidráulico. Se anotó la abertura de la compuerta(), en cm.

4. Usando la mira mecánica, para el salto que se produce se midió las conjugadas (aguas arriba) y (aguas abajo), en mm.

5.

Se midió también la longitud del salto (), en cm.6.

Se varió el caudal y se repitieron las mediciones indicadas en 4 y 5.7.

No pudo realizarse mediciones para un tercer caudal debido a que problemastécnicos con el abastecimiento de agua al tanque de carga hicieron que la carga enel tanque y la posición del salto hidráulico no se mantuvieran lo suficientemente

estables para permitir datos confiables.El procesamiento de los datos se realiza de la siguiente forma:

1. Se calculó el gasto de circulación (), en l/s. Se obtiene usando la ecuación delvertedor: = 1.84 3/ Donde : gasto, en m3/s.: Longitud de la cresta, en m.: Carga del vertedero, en m.

2. Se determinó el área mojada en las secciones 1 y 2: = · Donde

: área mojada, en m2.

: Base de la sección transversal, en m.: Profundidad de circulación, en m.3. Se calculó la velocidad media (V) del agua en la sección 1 y 2, en m/s. Se obtiene al

dividir el gasto () entre el área mojada ( ) de la sección.4.

Se calculó la carga de velocidad en la sección 1 y la 2, en m: /2

5. Se calculó el número de Froude () para la sección 1 y 2: =

6. Se calculó las relaciones (/) y (/) a partir de los datos experimentales.

7. Se calculó la relación (/) usando la ecuación: = 12 1 + 8 12 − 1

8.

Se calculó la relación (/) usando la ecuación: = 12 1 + 8 22 − 1

9.

Se calculó las pérdidas de energía (∆), en m, utilizando las ecuaciones:

∆ = 2 + − 2 − , ∆ = ( − )34

10. Se determinó la eficiencia del salto (), en %, usando las ecuaciones:



Salto Hidráulico

= + 2 + 2

·100, = (8 − 1)3/ −4 + 18(2 + ) 11.

Se calculó la altura del salto (

), en m:

=

−

12.

Se obtuvo la longitud del salto (), en m, usando la ecuación: = 5( − ) 13. Se clasificó el salto observado.



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4. DATOS, CÁLCULOS Y RESULTADOS

4.1.

DATOS DE LA PRÁCTICA

Los datos para la ecuación del vertedor son:

Tabla Nº 1. DATOS DE LA ECUACIÓN DEL VERTEDORFórmula del vertedor: Q = 1,84 L Hn

Longitud de la cresta: L = 58,5 cm

Constante: K = 1,84 L = 1,0764

n= 3/2

Ecuación del vertedor: Q = 1,0764 H3/

En esta práctica se tomaron datos para 2 saltos hidráulicos, los valores observados sepresentan en la tabla Nº2:

Tabla Nº 2. DATOS DE LA PRÁCTICA

PARÁMETRO UM OBSERVACIONES

Salto 1 Salto 2

Lectura inicial mira Li mm 24,31 24,23 24 24

Lectura inicial mira Lf mm 28,23 35,34 28,4 38,4

Lectura carga de vertedor Hi cm 92,5 102 92,5 103,5

Carga vertedor H cm 9,5 11,0

Conjugada entrada y1 cm 3,92 4,40

Conjugada salida y2 cm 11,11 14,4

Longitud del salto L cm 50 60



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4.2.

CÁLCULOS DE LA PRÁCTICA

Determinación del caudal del salto:

Caudal 1: = · / = ( ) / =Caudal 2: = · / = ( ) / =El área mojada es igual a:

Caudal 1 Caudal 2

Sección 1 = · = · = = · = · =

Sección 2 = · = · = = · = · =

La velocidad es el cociente entre el caudal y el área mojada:

Caudal 1 Caudal 2

Sección 1 = / = / = = / = / =

Sección 2 = / = / = = / = / =

La carga de velocidad es:

Caudal 1 Caudal 2

Sección 1 / = / = / = / =

Sección 2 / = / = / = / =

El número de Froude es:

Caudal 1

Sección 1 = √ = √ =

Sección 2 = √ = √ =

Caudal 2

Sección 1

=

√ =

√ =

Sección 2 = √ = √ =



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Las relaciones (/) y (/) a partir de los datos experimentales:

/ = / =/ = / =

Las relaciones (/) y (/) a partir del número de Froude:

= + 12 − = + 2 − =

= + 22 − = + 2 − =

Las pérdidas de energía en el salto:

=

+ −

− = + − − =

= + − − = + − − =

= ( − )3 = ( − )3

=

= ( − )3 = ( − )3

=

La eficiencia del salto (

):

= + +

· = + + · =

= + +

· = + + · =

= ( − ) / − +( + ) = ( − ) / − +( + ) =

= ( − ) / − +( + ) = ( − ) / − +( + ) =



Salto Hidráulico

Los cálculos se resumen en la siguiente tabla:

PARÁMETRO UM VALORES

Gasto Q m3/s 0,032 0,039

S e c c i ó n 1

Área mojada A1 m2 0,024 0,026

Velocidad media V1 m/s 1,34 1,49 Carga de velocidad V1

2/2g m 0,09 0,11

Profundidad hidráulica y1 m 0,039 0,04

Número de Froude en sec. 1 NF1 - 2,16 2,26

S e c c i ó n 2

Área mojada en la sección 2 A2 m2 0,067 0,086

Velocidad en la sección 2 V2 m/s 0,47 0,45

Carga de velosidad en sec. 2 V22/2g m 0,01 0,01

Profundidad hidráulica en sec. 2 y2 m 0,111 0,14

Número de Froude en sec. 2 NF2 - 0,45 0,38 y2 / y1 (experimental) - 2,83 3,27

y1 / y2 (experimental) - 0,35 0,31

y2 / y1 (ecuación 6.4) - 2,60 2,74

y1 / y2 (ecuación 6.5) - 0,31 0,24

Pérdidas de energía (ecuación 6.6) ΔE m 0,008 0,002

Pérdidas de energía (ecuación 6.7) ΔE m 0,021 0,039

Eficiencia del salto (ecuación 6.8) η % 94% 99%

Eficiencia del salto (ecuación 6.9) η % 81% 80%

Altura del salto (ecuación 6.10) Hs m 0,07 0,10 Longitud del salto (ecuación 6.11) L m 0,36 0,50

Clasificación del salto - débil débil



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5. ANÁLISIS DE RESULTADOS

0,000

0,020

0,040

0,060

0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045

P é r d i d a d d e E n e r g í a ( m )

Caudal (m3/s)

Caudal Vs. Pérdida de energía

Pérdidas de energía (ecuación 6.6)

Pérdidas de energía (ecuación 6.7)

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 E f i c i e n c i a d e l s a l t o , η

Caudal (m3/s)

Eficiencia del Salto Vs. Caudal

Eficiencia del salto (ecuación 6.8)

Eficiencia del salto (ecuación 6.9)



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6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045

V e l o c i d a d m e

d i a

Caudal (m3/s)

Velocidad en las secciones Vs.Caudal

Velocidad en la sección 2 Velocidad media



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7. BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA

GARCÍA RUIZ, Ernesto (1997). “MANUAL DE PRÁCTICAS DEL LABORATORIO

DE HIDRÁULICA”. Univ. Autónoma Juan Misael Saracho. Bolivia. 238 páginas.

CHOW, V. T. (1994). "HIDRÁULICA DE CANALES ABIERTOS ". Ed. McGraw-Hill,

S.A. Colombia. 668 páginas.

POTTER, Merle; WIGGERT, David (2002). "MECÁNICA DE FLUIDOS ". 3º edición. Ed.Thomson. México. 772 páginas.

MOTT, Robert L. (2006). “MECÁNICA DE FLUIDOS ”. 6º edición. Ed. Pearson Educación.México. 644 páginas.

Enciclopedia on-line Wikipedia. En red: http://es.wikipedia.org/Artículos consultados:o

En red: http://es.wikipedia.org/wiki/Salto_hidráulicoo

En red: http://es.wikipedia.org/wiki/Vertedero_hidráulicoo En red: http://es.wikipedia.org/wiki/Número_de_Froude

Wikilibros. Hidrosistemas. http://es.wikibooks.org/wiki/Hidrosistemas/Hidráulica/

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