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INGENIERIA CIVIL
SALTO HIDRAULICO OBJETIVOS:
Estudiar experimentalmente el fenómeno del salto hidráulico en un canal rectangular. Determinar gráficamente la disipación de energía en el mismo. Hallar la longitud del salto. Verificar las ecuaciones teóricas. Clasificar Clasifica r el Salto en función del número de Froude.
FUNDAMENTO TEORICO: SALTO HIDRAULICO:
El resalto o salto hidráulico es un fenómeno local, que se presenta en el flujo rápidamente variado, el cual va siempre acompañado por un aumento súbito del tirante y una pérdida de energía bastante considerable (disipada principalmente como calor), en un tramo relativamente corto. Ocurre en el paso brusco de régimen supercrítico (rápido) a régimen subcrítico (lento), es decir en el salto hidráulico el tirante, en un corto tramo, cambia de un valor inferior al crítico a otro superior a este. Generalmente el resalto se forma cuando en una corriente rápida existe algún obstáculo o un cambio brusco de pendiente. Esto sucede al pie de estructuras hidráulicas tales como vertederos de demasías, rápidas, salidas de compuertas con descarga por el fondo, etc.
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SALTO EN CANALES RECTANGULARES: Para un flujo supercrítico en un canal rectangular horizontal, la energía de flujo se disipa a través de la resistencia friccional a lo largo del canal, dando como resultado un descenso en la velocidad y un incremento en la profundidad en la dirección del flujo. Un resalto o salto hidráulico se formara en el canal si el número de Froude F1 del flujo, la profundidad del flujo y1 y la profundidad y2 aguas abajo satisfacen la ecuación.
TIPOS DE SALTO HIDRAULICO Los saltos hidráulicos en fondos horizontales se clasifican de varias clases, estos pueden clasificarse convenientemente según el número de Froude F 1 del flujo entrante:
Para F1 = 1
El Flujo es crítico y por consiguiente no se forma salto
Para F1 = 1 a 1.7
La superficie del agua muestra ondulaciones y el salto es llamado salto ondular.
Para F1 = 1.7 a 2.5
Sobre la superficie del salto se desarrollan una serie de rodillos y aguas abajo la superficie del agua permanece lisa. La pérdida de energía es baja. Se llama salto débil.
Para F1 = 2.5 a 4.5
Se produce un chorro oscilante entrando al salto, del fondo a la superficie y otra vez atrás, sin periodicidad. Aparece una onda que viaja aguas abajo. Se llama salto oscilante.
Para F1 = 4.5 a 9
El salto resulta bien balanceado y de buen rendimiento (la disipación de energía varía desde 45% hasta 70%). Se llama salto permanente.
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Para F1 = 9.0 o mayor
Se forma una superficie áspera: aparecen ondas que viajan aguas abajo aunque el salto es de buen rendimiento (la disipación de energía puede alcanzar el 85%. Se llama salto fuerte.
LONGITUD DE SALTO Los problemas intrínsecos, de la inestabilidad de la turbulencia y la no clara definición, de la longitud del salto, ha provocado, que la longitud del fenómeno no puede ser fácilmente analizado desde el punto de vista teórico. Los experimentos demuestran que la longitud de salto es igual a la diferencia de tirantes en la entrada y la salida multiplicados por 5.
ENERGIA ESPECÍFICA Y FUERZA ESPECÍFICA Se define como energía especifica E de una sección normal de una conducción libre, al valor de la carga total cuando el nivel de referencia coincide con el fondo de la conducción en dicha sección. Para canales con pendiente suave y distribución bastante uniforme de la velocidad la expresión de la energía específica es:
E y
V
2
2 g
(1)
Dónde:
E: es la energía específica. y: es la profundidad de circulación. V: es la velocidad promedio de flujo. g: es la aceleración de la gravedad.
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Para un gasto determinado Q, la velocidad es Q/A por consiguiente,
E y
Q2
2 gA 2
(2)
En la figura se muestra un grafico de la variación de la energía específica con la profundidad y vs E que resulta útil para visualizar los posibles regímenes de flujo en un canal.
Curva energía específica vs. Profundidad Algunas características importantes de está curva son las siguientes
La línea de 45º en la grafica representa la relación E igual a y. Para cualquier punto sobre la curva, la distancia horizontal a esta línea desde el eje y representa la energía potencial y. La distancia que queda a la curva de energía especifica es la energía cinética V 2/2g. El valor mínimo de y se presenta cuando el régimen es el crítico. La profundidad que corresponde a la energía específica mínima es por lo tanto llamada profundidad crítica y c. Para cualquier profundidad mayor que y c, el flujo es subcrítico. Para cualquier profundidad menor que y c, el flujo es supercrítico. Para cualquier nivel de energía más grande que el mínimo, existen dos profundidades diferentes. En la figura tanto y 1 debajo de la profundidad critica y c, como y2 arriba de yc, tienen la misma energía. En el caso de y 1 el flujo es supercrítico y mucha de la Energía es energía cinética debido a la alta velocidad de flujo. A la profundidad más grande y2 el flujo es mas lento y solamente una pequeña porción de la energía es energía cinética. Las dos profundidades alternativas para la energía especifica E.
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PROFUNDIDADES ALTERNATIVAS La figura ilustra lo que pasa en un salto hidráulico utilizando una curva de energía especifica el flujo entra al salto con una energía E 1 que corresponde a una profundidad supercrítica y1. En el salto se incrementa en forma abrupta la profundidad. Si no se perdiera energía, la nueva profundidad seria y 2’ que es la profundidad alterna para y 1.Sin embargo puesto que hay una disipación apreciable de la energía ∆E, la nueva profundidad real y 2 Corresponde al nivel de energía E 2. El nombre con que se conoce la profundidad real y 2 después del salto es el de profundidad secuencial o conjugada del salto. Para poder determinar la profundidad conjugada del salto es necesario aplicar el principio de fuerza específica. La fuerza específica F se define por la expresión:
F
Q2 gA
Z A
(3)
Donde: Q: es el gasto que circula por la sección. A: área mojada. g: aceleración de la gravedad. Z: profundidad a que se encuentra el centroide del área mojada medido desde la superficie del agua en una sección normal. Como tanto A como Z son funciones de la profundidad de circulación del agua se puede establecer una relación F vs y, que puede representarse gráficamente. Ese grafico se denomina curva de fuerza específica.
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FUERZA ESPECÍFICA VS. PROFUNDIDAD De la curva de fuerza específica se pueden sacar las siguientes conclusiones: 1.- Para un gasto dado cuando la profundidad de circulación es la crítica, el valor de la fuerza específica es mínimo. 2.- Para un gasto dado existen dos profundidades para las cuales la fuerza específica es la misma. Estas profundidades se denominan profundidades conjugadas. 3.- La porción superior de la curva representa condiciones de régimen subcrítico y la porción inferior de régimen supercrítico. 4.- Para una fuerza especifica dada, una de las profundidades conjugadas es subcrítica y se llama profundidad conjugada superior, mientras que la otra es supercrítica y se llama profundidad conjugada inferior. Entre la sección inicial y final del salto y considerando despreciables las pérdidas por fricción sobre el lecho y las partes entre ambas secciones se obtienen la relación entre la profundidad de circulación a la entrada y 1 y la profundidad de circulación a la salida y 2 del salto: O también:
y 2 y1
1 2
( 1 8 NF 1 (4)
2
1)
y1 y 2
1 2
( 1 8 NF 22
1)
(5)
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Las pérdidas de energía en el salto ∆E cuando se trata de un canal de pendiente horizontal se pueden calcular por las siguientes expresiones
V 12
E E 1 E 2
2 g
y1
V 22
2 g
y 2
(6)
O también: E
( y 2
y 1 )
3
4 y1 y 2
(7)
La eficiencia del salto está dada por la relación entre las energías específicas al final del salto y al inicio de este. Es una medida del por ciento de energía remanente luego de ocurrir el salto. 2
E 2 E 1
y 2
100 y1
V 2
2 g V 1
2
100
(En %) (8)
2 g
Otra forma es la siguiente 2
(8 NF 1
1)
3/ 2
2
4 NF 1
2
1
2
8 NF 1 (2 NF 1 )
(9)
La altura del salto Hs es la diferencia de niveles entre la sección de salida y la entrada del salto
Hs
y
2
y
1
(10)
La longitud del salto L es la distancia horizontal desde la entrada de este hasta la sección donde se alcanza la profundidad conjugada. Se puede determinar aproximadamente por la relación:
L 5 * ( y 2
y1 )
(11)
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LOCALIZACIÓN DEL RESALTO HIDRÁULICO La ubicación del resalto hidráulico depende de las condiciones de flujo tanto aguas arriba como aguas abajo. Para la explicación de este aspecto, consideremos el caso del flujo a través de un conducto inferior, a manera de un desfogue de fondo. Aguas abajo, el nivel de agua es influenciado por algún elemento de control, como por ejemplo una estructura transversal. Esquema de un resalto hidráulico en un sistema formado por una compuerta y una estructura de caída. Por un lado, el tirante alcanza su mínimo valor inmediatamente después de la compuerta, este se incrementa gradualmente en régimen supercrítico en dirección aguas abajo. Por otro lado el tirante aguas abajo se desarrolla a través de una curva de depresión incrementándose hacia aguas arriba en régimen subcrítico. En alguna sección A, el chorro que se desplaza desde la compuerta, tiene un tirante h 1A y requiere, para la formación del resalto, un tirante conjugado h 2A, sin embargo el tirante real en esa sección es menor al requerido. Bajo estas condiciones el chorro líquido continúa su movimiento hacia aguas abajo, incrementando el tirante y por lo tanto reduciendo su energía cinética. En una sección G el tirante conjugado requerido h 2A alcanzará una magnitud equivalente al tirante existente, presentándose las condiciones para la formación de un resalto hidráulico.
MATERIALES UTILIZADOS: Los materiales, equipos utilizados en la presente práctica son los siguientes: Canal Rehbock.-Mediante dicho canal se hace circular agua de forma libre, el mismo tiene una sección transversal rectangular y fondo horizontal.
Compuerta.- La compuerta se encuentra instalada en la entrada de dicho canal Rehbock, el mismo esta colocado a una abertura de 6 cm, dicha compuerta permite crear un régimen supercrítico, que al pasar a l subcrítico del canal se produce el fenómeno estudiado
Vertedor.- Utilizado para medir el gasto, el mismo se encuentra colocado a la entrada.
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PROCEDIMIENTO DE LA PRÁCTICA: Los pasos secuenciales para la realización de la práctica son los siguientes:
1. Tomamos todos los datos iníciales de la práctica es decir, medimos las dimensiones geométricas del canal, la lectura inicial de la mira mecánica y la abertura de la compuerta. 2. Obtener la ecuación de calibración del vertedor, dato del laboratorio de hidráulica:
⁄ .
3. Hacer circular un cierto gasto por el canal, con la abertura presente en la compuerta, se observa el salto hidráulico. 4. Esperar hasta que el flujo este uniforme. 5. Con la ayuda de los fluxómetros medimos “ y1” y “y2” las mismas son la conjugada de entrada y salida, y la longitud del salto “L” respectivamente. 6. Realizar la lectura final de la mira mecánica sobre la superficie del agua, aguas arriba del vertedor. 7. Elaborar una tabla de los datos obtenidos en laboratorio.
DATOS CÁLCULOS Y RESULTADOS PARAMETRO
UNIDADES
OBSERVACIONES
Lectura Inicial mira Li
cm.
3,8
Lectura final mira Lf
cm.
18
Carga vertedor H
cm.
14,2
Abertura compuerta a
cm.
5,5
Conjugada entrada Y1
cm.
4
Conjugada entrada Y2
cm.
24,5
Base
cm.
60
Longitud del salto L
cm.
240
ECUACION DEL VERTEDERO K
0,79
n
1,696
H
14,2
Q
60,3471242
m3/s
0,06034712
l/s
cm
Ver los cálculos en la planilla excell CIV-322 LABORATORIO DE HIDRAULICA II (NIVELACION) 2017
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ANALISIS DE RESULTADOS Gasto Q (lecturador magnetico) Area mojada 1 A1 Area mojada 2 A2 Velocidad en 1 V1 Carga velocidad en 1 V1´2/2g Profundidad hidraulica en 1 D1
m^3/seg
0,0603
m^2
0,024
m^2
0,147
m/seg.
2,513
m
0,322
m
0,04
-
4,011
m/seg.
0,410
m
0,0086
m
0,245
Numero de Froude en 2 NF2 Y2/Y1 Experimental Y1/Y2 Experimental Y2/Y1 Ecuacion 6,4. Y1/Y2 Ecuacion 6,5
-
0,2646
-
6,125
-
0,1633
-
6,1943
-
1,1245
Perdidas en el salto Ec.6,6 DE Perdidas en el salto Ec.6,7 DE
m
0,1082
m
0,2198
Eficiencia del salto Ec.6,8 n Eficiencia del salto Ec.6,9 n Altura del salto Ec. 6,10 Hs Longitud del salto Ec.6,11 L Clasificacion del salto
%
70,098
%
59,269
m
0,205
m
1,025
Numero de Froude en 1 NF1 Velocidad en 2 V2 Carga velocidad en 2 V2´2/2g Profundidad hidraulica en 2 D2
oscilante
LONGITUD DEL SALTO TEORICO =1,025 m EXPERIEMNTAL = 2,4 m CONCLUSIONES -En esta como en las otras prácticas siempre se cometen errores como en la lectura de mediada ya que como el agua oscilaba no se podía ver con claridad las medidas tanto como los tirantes como la longitud experimental del salto lo cual llevo a determinar una longitud teórica diferente a la experimental. -Aprendimos a como determinar la clase de salto que experimentamos en laboratorio gracias al NF1 y la guía donde nos indicaba las clases de resalto.
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