Laboratorio salto hidráulico Laboratorio de hidráulica II Universidad Militar Nueva Granada Civ. 2 Lab
Resumen = 0,9 Introd&Met = 0,8 Cálculos = 1,0 An&Concl = 0,9 Presentación = 0,9 NOTA = 4,5
de
Informe laboratorio de salto hidráulico Rodríguez, Javier; Celis, Gustavo; Martínez, Miguel; Hernández, Camilo
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Resumen En esta práctica de laboratorio se pusieron en práctica conceptos vistos en teoría como la energía específica, fuerza específica y numero de Froude con el fin de poder visualizar un fenómeno local como lo es el salto hidráulico y las pérdidas de energía que produce produce a través de una canal canal artificial, esto se realizó con con los implementos y herramientas disponibles en el laboratorio de hidráulica de la Universidad Militar Nueva Granda. En el laboratorio de salto hidráulico consistió básicamente en hacer fluir agua a través de un canal artificial con una sección rectangular, inicialmente se abrió la válvula para regular el caudal en el sistema, se tomaron las profundidades de flujo al inicio y al final del salto hidráulico además de las lecturas de los piezómetros, esto se realizó para diferentes variaciones de caudal y de las compuertas de regulación al inicio y final del canal. Se calcularon principalmente los caudales, después se calculó los elementos geométricos del canal artificial, a partir de estos resultados y con las formulas practicas se encontró los valores experimentales de la velocidad media, número de Froude, energía específica y fuerza especifica. Finalmente a partir de los anteriores datos lo que se busca es analizar el comportamiento del fluido a través de un fenómeno local, estos resultados se compararon con valores teóricos en donde se presentaron errores esperados. Se pudo concluir que el fluido (agua) antes del salto salto hidráulico presento presento un flujo en estado súper crítico, y después del salto hidráulico presento un flujo en estado sub critico critico lo cual nos da a entender entender que el salto hidráulico hidráulico es un disipador de energía, en donde solo se conserva el momentum. Palabras Clave Energía específica, fuerza específica, número de Froude, salto hidráulico.
Introducción En el estudio y análisis de canales abiertos es importante saber y conocer los fenómenos locales que se presentan a menudo cuando ocurren cambios en el estado de flujo de supercrítico a subcrítico (salto hidráulico) y viceversa (caída hidráulica). Estos cambios se manifiestan por el cambio en la profundidad del flujo de una profundidad baja a una profundidad alta (salto hidráulico y viceversa (caída hidráulica), este cambio de profundidad ocurre en una distancia relativamente corta en donde el flujo se comporta rápidamente variado. Esta práctica va a tratar sobre el fenómeno local salto hidráulico, este se da por una obstrucción debido a una compuerta de regulación ubicada en la zona aguas abajo del canal, que detiene el flujo y hace necesario el aumento de su nivel. En el presente informe se llevaran a cabo diferentes procedimientos para determinar la velocidad media, número de Froude, energía y fuerza específica al inicio y al final del salto hidráulico mediante la aplicación de fórmulas para los datos obtenidos en el laboratorio de hidráulica de la Universidad Militar Nueva Granada y de esta manera clasificar el tipo de salto hidráulico obtenido, como se mostrara en la parte de resultados de este informe. Elementos del Trabajo y metodología Para la elaboración del laboratorio de salto hidráulico se tomaron diferentes datos para cuatro caudales diferentes, variando la apertura de la compuerta de regulación y cerrando la compuerta de
guillotina
persianas. La práctica se comenzó purgando cada uno de los piezómetros para que todos estuvieran al mismo nivel, después se procedió a abrir la válvula que permitiera el paso de caudal y por ende permitiera el paso de agua a través del canal y llegara a un tanque que almacena el agua usada. En todos los casos se tomaron las diferentes profundidades de flujo al inicio del salto hidráulico (y1) y después del salto hidráulico (y2), longitud del salto hidráulico (Δx), (Δx), alturas piezométricas desde el piezómetro 10 al 23 en cm.c.a y la lectura inicial y final del vertedero en cm.c.a para determinar el caudal usado en el sistema. Durante la práctica se estableció el ancho del canal, con la ayuda de un flexómetro para determinar el área del canal. No se tomaron datos en el vertedero? Resultados Teniendo todos datos recolectados en el laboratorio de hidráulica, las medidas de los piezómetros en centímetros columna de agua se les realizo la conversión a metros columna de agua. Luego se procedió a calcular el caudal (Tabla 1) para cada variación de compuerta de la siguiente manera:
() =0.0172∗.34 () EC (1) Los valores de caudal como se puede observar en la formula se obtenían en litros por segundo, se realizó la conversión a metros cúbicos sobre segundo, por otro lado se tiene en cuenta que H es
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Laboratorio salto hidráulico Laboratorio de hidráulica II Universidad Militar Nueva Granada Civ. 2 Lab la diferencia entre la altura inicial y final del tanque que se mencionó en la metodología. Para cada una de las profundidades de flujo y1 (profundidad al inicio del salto hidráulico), y2 (profundidad al final del salto hidráulico) y caudales se calculó el área mojada EC (2), velocidad media EC (3), numero de Froude EC (4), energía especifica EC (5) y fuerza especifica EC (6) con la ayuda de las siguientes formulas:
() = ∗ EC (2) EC (3) =
ú = √ ∗ EC (4) í = + ( )² EC (5) í = ()² ∗ +(ỹ∗) EC (6) Se obtuvieron los siguientes resultados: Tabla 1 Cálculo de área mojada, velocidad media, número de froude, energía específica y fuerza específica para cada caudal.
Q1
Q2
Q3
Q4
Q(m³/s)
0,0062 0,0075 0,0086 0,0122
A1 (m²)
0,0057 0,0107 0,0078 0,0105
A2(m²)
0,0172 0,0174 0,0191 0,0260
V 1(m/s) 1,0722 0,7056 1,1061 1,1716 V 2 (m/s) 0,3574 0,4317 0,4520 0,4705 # froude 2,0457 0,9880 1,8117 1,6563 1 # froude 0,3937 0,4727 0,4732 0,4215 2 E1 (m)
0,0867 0,0774 0,1004 0,1210
E2 (m)
0,0905 0,0945 0,1034 0,1383
Fe 1
0,0008 0,0008 0,0011 0,0017
Fe 2
0,0009 0,0011 0,0013 0,0022
Como parte crucial de los cálculos pertinentes al desarrollo de la práctica de salto hidráulico se comparara la relación de salto hidráulico teórica, las pérdidas reales en el salto hidráulico y longitud del salto hidráulico teórica con los resultados encontrados experimentalmente, para calcular estos valores son necesarios los valores de la Tabla 1, y
las ecuaciones EC (7), EC (8) y EC (9) respectivamente:
Relación de salto teórica:
Perdidas reales en el salto:
Longitud del salto teórica:
= (1+√1+8 EC (7)
−) EC (8) = = ((4 )
= 5(2 1 ) EC (9)
Se obtuvieron los siguientes resultados: Tabla 2 Relación de salto teórica – experimental, perdida de energía teórica – experimental, longitud de salto teórica – experimental y error normal Salto teórico
Salto experimental
Error (%)
2,4360
3,000
23,15
0,9840
1,635
66,13
2,1104
2,447
15,97
1,8952
2,490
31,40
ΔE teórico (m)
ΔE experimental(m)
Error (%)
0,0187
0,0039
79,29
0,0020
0,0171
741,45
0,0118
0,0030
74,52
0,0169
0,0173
Longitud salto teórica (m) Longitud salto experimental (m)
1,89
Error (%)
0,280
0,432
54,29
0,165
0,433
162,42
0,275
0,337
22,55
0,380
0,557
46,58
Se graficaron las líneas piezometricas para cada condición de apertura de la compuerta (Grafica 1), en donde se ilustra el salto hidráulico para cada caudal presentado en el laboratorio.
Grafica 1 Líneas piezometricas para cada condición de apertura
Teniendo las profundidades de flujo se graficaron con respecto a la energía y fuerza específica para conocer como es la variación de estas profundidades.
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Grafica 2 Profundidad de flujo VS Energía especifica
Grafica 3 4 Profundidad de flujo VS Fuerza especifica
Clasificación del salto hidráulico
Teniendo los resultados de número de Froude se realizó una clasificación a cada salto hidráulico y el tipo de flujo al inicio y al final del salto presentado en el laboratorio.
Tabla 3 Clasificación y estado del flujo presentes en los saltos hidráulicos # froude 1
Clasificación
Estado del flujo
2,046
Sal to débi l
Súper cri ti co
# froude 2 Estado del flujo
0, 988
Sal to ondul ante
cri ti co
0, 473
sub cri ti co
1,812
Sal to débi l
Súper cri ti co
0,473
sub cri ti co
1,656
Salto ondulante
Súper critico
0,422
sub critico
0,394
sub cri ti co
Análisis de resultados -Esta práctica consiste en gran parte en comparar datos obtenidos mediante cálculos teóricos y datos obtenidos en la toma de datos del laboratorio (directa o indirectamente). El hecho de hallar un error relativo para cada una de estas comparaciones ayuda a hacerse una idea de la proximidad de los datos y del buen desarrollo de la práctica. - Observando los errores relativos presentados en la Tabla 2, en el caudal 2 se observaron errores muy grandes que están fuera del rango esperado, estos
errores tan grandes pudieron ser causados debido a que no se cumplían las características fundamentales del fenómeno local salto hidráulico, el flujo no pasaba de un estado súper critico a un estado sub critico sino pasaba de un estado crítico a un estado sub crítico. -Al existir conservación de momentum las fuerzas específicas al inicio del salto y al final del salto, pueden considerarse iguales debido a que el salto hidráulico ocurre en una distancia relativamente corta y el ángulo del fondo del canal es cero, esto lo podemos apreciar en la Tabla 1 en donde la fuerza efectiva 1 es muy parecida a la fuerza efectiva 2, pudieron variar debido al que el canal presentaba una leve inclinación muy mínima. - En la Grafica 1 se aprecia cómo fueron los saltos hidráulicos presentados en el laboratorio y como es el cambio de la profundidad del flujo en una distancia tan corta. - En la Tabla 2 se aprecia como la energía del flujo se disipa a través de la resistencia friccional a lo largo del canal, dando como resultado un descenso en la velocidad y un aumentó en la profundidad (Tabla1). -Durante la práctica, se asignaron varios estudiantes para tomar el mismo dato para distintos caudales, esto puede afectar los resultados de la práctica debido a que no todas las personas tienen la misma perspectiva. Conclusión Luego de haber realizado la experiencia práctica del laboratorio y hacer un estudio del comportamiento del fluido que para este caso fue agua, se pudo conocer el comportamiento de las líneas piezométricas; así mismo se pudo analizar que el salto hidráulico es un medio útil para disipar energía en un flujo súper crítico, debido a que reduce rápidamente la velocidad del flujo a un estado sub crítico. En el salto hidráulico solo se conserva el momentum, la energía específica por el contrario por ser un fenómeno muy turbulento se disipa y no se conserva. Se hace notar que a medida que el fluido se aleja del salto hidráulico y de la abertura tiende a estabilizarse como se aprecia en la Tabla 3, el flujo tomo un estado de sub crítico. Referencias Granada, Universidad Militar Nueva. 2010. Guia laboratoirio hidraulica. Guia laboratoirio hidraulica. [En línea] 5 de Agosto de 2010. [Citado el: 19 de septiembre de 2016.] www.umng.edu.co.
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