Ensayo de Vertederos
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Este documento presenta los resultados de dos ensayos realizados en un laboratorio de mecánica de fluidos para evaluar dos tipos de vertederos: rectangular y triangular. Se describe el procedimiento experimental, los equipos utilizados, las tablas de datos recolectados y procesados, y los cálculos y gráficos resultantes. El objetivo era determinar el coeficiente de descarga de cada vertedero y comprender su funcionamiento para medir flujos de agua.
Ensayo de Vertederos
- 1. U.E.C. LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS E HIDRÁULICA FACULTAD DE INGENIERÍA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL Dr. HUATUCO GONZALES, Mario Miguel VERTEDEROS 1. DATOS GENERALES: 1.1 Facultad : Ingeniería 1.2 E.A.P : Ingeniería Civil 1.3 Asignatura : Laboratorio de Mecánica de Fluidos e Hidráulica 1.4 Tema : Vertederos 1.5 Fecha : 13 de mayo de 2018 1.6 Docente : DR. HUATUCO GONZALES, Mario Miguel Catedrático del Curso Laboratorio de Mecánica de Fluidos e Hidráulica Escuela Académico Profesional de Ingeniería Civil Universidad Peruana los Andes 1.7 Participantes : EST. REYNOSO LÓPEZ, Percy EST. DÍAZ HUARACA, Carlos Estudiantes del Curso de Laboratorio de Mecánica de Fluidos e Hidráulica Escuela Académico Profesional de Ingeniería Civil Universidad Peruana los Andes
- 2. U.E.C. LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS E HIDRÁULICA FACULTAD DE INGENIERÍA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL Dr. HUATUCO GONZALES, Mario Miguel 2. OBJETIVOS DEL ENSAYO: 2.1 General: • Evaluar técnicamente dos tipos de vertederos para medir flujos y canales. 2.2 Específicos: • Determinar el coeficiente de descarga de dos tipos de vertederos, uno triangular y otro rectangular. • Analizar que el coeficiente de descarga sea < a 1. • Comprender el funcionamiento de los vertederos y su uso para medir flujos en canales abiertos. • Realizar los respectivos gráficos que ayuden a comprender y analizar los datos tomados y procesados en laboratorio. 3. SOPORTE TEÓRICO: 3.1 Vertederos: 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. 3.2 Terminología Referente a Vertederos Figura N° 1
- 3. U.E.C. LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS E HIDRÁULICA FACULTAD DE INGENIERÍA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL Dr. HUATUCO GONZALES, Mario Miguel Donde: • 𝑏𝑏 : Longitud de la cresta del vertedero • 𝐵𝐵 : Ancho del canal de acceso • ℎ : Carga del vertedero. Es el desnivel entre la superficie libre de aguas arriba y la cresta del vertedero • 𝑎𝑎 : Carga sobre la cresta • 𝑃𝑃 : Altura o cota de la cresta, referida al fondo del canal • 𝑧𝑧 : Espesor de la lámina de agua, aguas abajo del vertedero • 𝐿𝐿 : Distancia mínima, aguas arriba del vertedero, a la cual se coloca el medidor de niveles (limnímetro). 𝐿𝐿 ≥ 5ℎ • 𝑒𝑒 : Espesor de la pared del vertedero • 𝐻𝐻 : 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 lámina vertiente. 3.3 Tipos de Lámina Vertiente: Existen distintos tipos de lámina vertiente • Lámina Libre • Lámina Abatida • Lámina Adherente • Lámina Ahogada Inferiormente • Lámina Ahogada Superiormente 3.4 Clasificación de los Vertederos: Existen diferentes clasificaciones para los vertederos (revisar el Manual De Prácticas de Laboratorio De Hidráulica - Ramiro Marbello Pérez), sin embargo, nos importa definir las dos utilizadas en el ensayo: Según su forma geométrica: • Vertederos de pared delgada (𝑒𝑒/ℎ < 0.67) Rectangulares Triangulares Etc. • Vertederos de pared gruesa o ancha (𝑒𝑒/ℎ ≥ 0.67)
- 4. U.E.C. LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS E HIDRÁULICA FACULTAD DE INGENIERÍA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL Dr. HUATUCO GONZALES, Mario Miguel 3.5 Cálculo de Caudal a través de Vertederos de Pared Delgada: Expresión del Caudal en Vertederos Rectangulares Figura N° 2 La exactitud obtenida con esta fórmula y otras análogas depende del conocimiento del valor que, en cada caso, tome el coeficiente 𝐶𝐶𝑑𝑑, para lo cual es preciso, ante todo, distinguir el caso en que el vertedero consista en una escotadura mucho más estrecha que el canal, y aquel otro en que, como ocurre en muchas obras hidráulicas (presas, aliviaderos, etc.) son las mismas paredes del canal, depósito o embalse, las que limitan el vertedero. 𝑄𝑄 = 2 3 𝐶𝐶𝑑𝑑 𝑏𝑏�2𝑔𝑔 ℎ3/2 Expresión del Caudal en Vertederos Triangulares Este tipo de vertedero se emplea con frecuencia para medir caudales pequeños (inferiores aproximadamente a 6 𝐿𝐿/𝑠𝑠). En la Figura 3, 4, 5 se muestra un esquema de la geometría de este tipo de vertedero. El ángulo 𝜃𝜃 puede tomar cualquier valor, aunque es muy frecuente el vertedero con 𝜃𝜃 = 90°. Figura N° 3
- 5. U.E.C. LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS E HIDRÁULICA FACULTAD DE INGENIERÍA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL Dr. HUATUCO GONZALES, Mario Miguel Figura N° 4 Figura N° 5 Caudal Teórico: 𝑄𝑄𝑇𝑇 = 8 15 �2𝑔𝑔 tan � 𝜃𝜃 2 � ℎ5/2 Caudal Real: El caudal real se obtiene multiplicando el caudal teórico por el correspondiente coeficiente de descarga, 𝐶𝐶𝑑𝑑, así: 𝑄𝑄𝑅𝑅 = 𝐶𝐶𝑑𝑑 ∗ 𝑄𝑄𝑇𝑇 O: 𝑄𝑄𝑅𝑅 = 8 15 ∗ 𝐶𝐶𝑑𝑑 ∗ �2𝑔𝑔 ∗ tan � 𝜃𝜃 2 � ∗ ℎ5/2
- 6. U.E.C. LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS E HIDRÁULICA FACULTAD DE INGENIERÍA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL Dr. HUATUCO GONZALES, Mario Miguel 4. ENSAYO DE VERTEDERO RECTANGULAR: 4.1 Equipos e Instrumentos: Banco de prueba hidráulico Vertedero rectangular Nivel tubular Altímetro Agua Otros 4.2 Procedimiento: Instalación del vertedero rectangular, verificando inexistencia de filtraciones debajo de este. Encendido del banco hidráulico, verificando el flujo regulado de agua. Garantizar que todo el flujo del agua pase por la abertura del vertedero. Toma de datos: tiempo de llenado del agua de un cierto volumen conocido a una altura antes colocada. 4.3 Tabla de Registro de Datos en Laboratorio: TABLA DE DATOS Nro 𝑯𝑯(𝒎𝒎𝒎𝒎) 𝒕𝒕 (𝒔𝒔) 𝑽𝑽 (𝑳𝑳) 1 20.00 11.90 2.00 2 29.00 6.98 2.00 3 41.80 7.96 5.00 4 47.40 7.29 5.00 5 51.60 6.52 5.00 6 58.70 4.99 5.00 4.4 Tabla de Datos Procesados: TABLA DE DATOS PROCESADOS Nro 𝑯𝑯 (𝒎𝒎) 𝒕𝒕 (𝒔𝒔) 𝑽𝑽 (𝒎𝒎𝟑𝟑 ) 1 0.0200 11.90 0.002 2 0.0290 6.98 0.002 3 0.0418 7.96 0.005 4 0.0474 7.29 0.005 5 0.0516 6.52 0.005 6 0.0587 4.99 0.005
- 7. U.E.C. LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS E HIDRÁULICA FACULTAD DE INGENIERÍA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL Dr. HUATUCO GONZALES, Mario Miguel 4.5 Cálculos en Gabinete: Tabla de Cálculos: TABLA DE CÁLCULOS Nro 𝑸𝑸𝒕𝒕𝒆𝒆ó𝒓𝒓𝒓𝒓𝒓𝒓𝒓𝒓 (𝒎𝒎𝟑𝟑 /𝒔𝒔) 𝑪𝑪𝒅𝒅 1 1.6807E-04 0.67 2 2.8653E-04 0.66 3 6.2814E-04 0.83 4 6.8587E-04 0.75 5 7.6687E-04 0.74 6 1.0020E-03 0.80 4.6 Gráficas: Q vs H: 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 H*E-3 (m) Q*E-5 (m3/s) Q vs H
- 8. U.E.C. LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS E HIDRÁULICA FACULTAD DE INGENIERÍA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL Dr. HUATUCO GONZALES, Mario Miguel Q vs Cd: 5. ENSAYO DE VERTEDERO TRIANGULAR: 5.1 Equipos e Instrumentos: Banco de prueba hidráulico Vertedero triangular Nivel tubular Altímetro Agua Otros 5.2 Procedimiento: Instalación del vertedero triangular, verificando inexistencia de filtraciones debajo de este. Encendido del banco hidráulico, verificando el flujo regulado de agua. Garantizar que todo el flujo del agua pase por la abertura del vertedero. Toma de datos: tiempo de llenado del agua de un cierto volumen conocido a una altura antes colocada. 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 Cd*E2 Q*E5 (m3/s) Q vs Cd
- 9. U.E.C. LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS E HIDRÁULICA FACULTAD DE INGENIERÍA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL Dr. HUATUCO GONZALES, Mario Miguel 5.3 Tabla de Registro de Datos en Laboratorio: TABLA DE DATOS Nro 𝑯𝑯 (𝒎𝒎𝒎𝒎) 𝒕𝒕 (𝒔𝒔) 𝑽𝑽 (𝑳𝑳) 1 20.10 16.16 2.00 2 23.20 13.69 2.00 3 25.90 10.00 2.00 4 29.40 7.34 2.00 5 32.80 5.46 2.00 6 34.30 5.30 2.00 5.4 Tabla de Datos Procesados: TABLA DE DATOS PROCESADOS Nro 𝑯𝑯 (𝒎𝒎) 𝒕𝒕 (𝒔𝒔) 𝑽𝑽 (𝒎𝒎𝟑𝟑 ) 1 0.0201 11.90 0.002 2 0.0232 6.98 0.002 3 0.0259 7.96 0.002 4 0.0294 7.29 0.002 5 0.0328 6.52 0.002 6 0.0343 4.99 0.002 5.5 Cálculos en Gabinete: TABLA DE CÁLCULOS Nro 𝑸𝑸𝒕𝒕𝒕𝒕ó𝒓𝒓𝒓𝒓𝒓𝒓 𝒓𝒓 (𝒎𝒎𝒎𝒎/𝒔𝒔) 𝑪𝑪𝒅𝒅 1 1.6807E-04 1.24 2 2.8653E-04 1.48 3 2.5126E-04 0.99 4 2.7435E-04 0.78 5 3.0675E-04 0.67 6 4.0080E-04 0.78
- 10. U.E.C. LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS E HIDRÁULICA FACULTAD DE INGENIERÍA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL Dr. HUATUCO GONZALES, Mario Miguel 5.6 Gráficas: Q vs H: Q vs Cd: 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 H*E-3 (m) Q*E-5 (m3/s) Q vs H 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 Cd*E-2 Q*E-5 (m3/s) Q vs Cd
- 11. U.E.C. LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS E HIDRÁULICA FACULTAD DE INGENIERÍA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL Dr. HUATUCO GONZALES, Mario Miguel 6. CONCLUSIONES: • Se determinó que los dos tipos de vertederos para medir flujos y canales, tienen distinta forma de escote al escurrir el fluido. • Los coeficientes de descarga se encuentran dentro de lo permisible pues estos, no son > a 1. • En el ensayo de vertedero rectangular se nota una mayor precisión en la toma de datos, ya que se muestra reflejado en los gráficos Q vs H y Q vs Cd, mientras que en el ensayo de vertedero triangular hay cierta varianza en los gráficos. 7. RECOMENDACIONES: • Posicionar y nivelar bien los vertederos en su instalación, verificando que no haya filtraciones, y por ende, no haya errores en la toma de datos. • Ser precisos al tomar el tiempo relativo a la altura posicionada con el altímetro.