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FACULTA DE INGENIERÍA, ARQUITECTURA Y URBANISMOESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
Proyecto de Investigación
VERTEDEROS TRIANGULARES
AUTORES:
CARRERA MIRANDA, JORGE OMARFERNANDEZ RIOS, JOSEPH
JUAREZ POZO, JHONYTARIFEÑO FONSECA, BRANCO YELTSIN
DOCENTE:
ING. CIVIL GUILLERMO ARRIOLA CARRASCO.
Chiclayo - Pimentel 18 de julio del 2014
INTRODUCCIÓN:
El caudal en un canal abierto puede ser medido mediante vertederos, los
cuales son diques o paredes que se oponen al flujo y que poseen una
escotadura con una forma geométrica regular por la cual pasa el flujo.
Existen dos tipos de vertederos: los de pared delgada y gruesa. Los
vertederos, construidos con una hoja de metal u otro material, que permitan
que el chorro o manto salgan libremente reciben el nombre de vertederos
de pared delgada y se usan básicamente para determinar el caudal en
cualquier momento en una corriente pequeña. Los vertederos de pared
gruesa se usan principalmente para control de excedencias, y su
evacuación puede ser libre o controlada.
Entonces decimos que en este presente ensayo, consiste en calcular el
coeficiente con ayuda de la formula dada y con los datos obtenidos en
laboratorio, como el volumen y tiempo, los cuales nos servirán para hallar el
caudal, aquí se demostrara los diferentes fenómenos que se suscitan en un
vertedero rectangular.
En la práctica de laboratorio se ha podido visualizar los tipos de movimiento
uniforme, gradualmente variado como rápidamente variado en donde el
tirante hidráulico varía de acuerdo al caudal que se le dé.
FLUJO EN VERTEDEROS TRIANGULARES
1. OBJETIVOS:
- Objetivos Generales :
o Determinar el caudal que fluye por un canal, empleando un
vertedero triangular.
- Objetivos Específicos:
o Determinar experimentalmente el coeficiente de descarga Cd para
vertederos triangulares.
o Graficar la curva altura h Vs. gasto Q.
o Demostrar mediante ecuaciones las relaciones entre las variables.
2. HIPOTESIS:
o Comprobar el caudal teórico con el caudal real, con sus
respectivos coeficientes de descarga.
o Comparar cuál de los vertederos es más eficiente para realizar la
medida del caudal.
3. MARCO TEORICO:
Canales
Se denomina canal a una
construcción destinada al
transporte de fluidos
generalmente utilizada para agua
y que, a diferencia de las
tuberías, es abierta a la
atmósfera. También se utilizan
como vías artificiales de
navegación. La descripción del
comportamiento hidráulico de los canales es una parte fundamental de la
hidráulica y su diseño pertenece al campo de la ingeniería hidráulica,
una de las especialidades de la ingeniería civil.
Cuando un fluido es transportado por una tubería parcialmente llena, se
dice que cuenta con una cara a la atmósfera, por lo tanto se comporta
como un canal.
- Tipos de flujo en un canal
o Flujo permanente
Un flujo permanente es aquel en el que las propiedades fluidas
permanecen constantes en el tiempo, aunque pueden no ser constantes
en el espacio.
o Flujo transitorio o No permanente
Un flujo transitorio presenta cambios en sus características a lo largo del
tiempo para el cual se analiza el comportamiento del canal. Las
características del flujo son función del tiempo.
o Flujo uniforme
Es el flujo que se da en un canal recto, con sección y pendiente
constante, a una distancia considerable (20 a 30 veces la profundidad
del agua en el canal) de un punto singular, es decir un punto donde hay
una mudanza de sección transversal ya sea de forma o de rugosidad, un
cambio de pendiente o una variación en el caudal.
o Flujo gradualmente variado
El flujo es variado: si la profundidad de flujo cambia a lo largo del canal.
El flujo variado puede ser permanente o no permanente. Debido a que el
flujo uniforme no permanente es poco frecuente, el término “flujo no
permanente” se utilizará de aquí para adelante para designar
exclusivamente el flujo variado no permanente.
El flujo variado puede clasificarse además como rápidamente variado o
gradualmente variado. El flujo es rápidamente variado si la profundidad
del agua cambia de manera abrupta en distancias comparativamente
cortas; de otro modo es gradualmente variado.
o Flujo Crítico
Cuando Fraude vale uno o cuando la velocidad es igual que la raíz
cuadrada de la gravedad por la profundidad.
o Flujo subcrítico
En el caso de flujo subcrítico, también denominado flujo lento, el nivel
efectivo del agua en una sección determinada está condicionado al nivel
de la sección aguas abajo.
o Flujo supercrítico
En el caso de flujo supercrítico, también denominado flujo veloz, el nivel
del agua efectivo en una sección determinada está condicionado a la
condición de contorno situada aguas arriba.
Vertederos
El vertedero hidráulico o aliviadero es unaestructura hidráulica destinada
a permitir el pase, libre o controlado, del agua en los escurrimientos
superficiales; siendo el aliviadero en exclusiva para el desagüe y no para
la medición. Existen diversos tipos según la forma y uso que se haga de
ellos, a veces de forma controlada y otras veces como medida de
seguridad en caso de tormentas en presas.
- Funciones
o Aliviadero como elemento de presa
Tiene varias finalidades entre las que se destaca:
Garantizar la seguridad de la estructura hidráulica, al no permitir
la elevación del nivel, aguas arriba, por encima del nivel máximo
(NAME por su siglas Nivel de Aguas Máximas Extraordinarias) .
Garantizar un nivel con poca variación en un canal de riego,
aguas arriba. Este tipo de vertedero se llama "pico de pato" por su
forma
Constituirse en una parte de una sección de aforo del río o arroyo.
Disipar la energía para que la devolución al cauce natural no
produzca daños. Esto se hace mediante saltos, trampolínes o
cuencos.
En una presa se denomina vertedero a la parte de la estructura
que permite la evacuación de las aguas, ya sea en forma habitual
o para controlar el nivel del reservorio de agua.
Generalmente se descargan las aguas próximas a la superficie
libre del embalse, en contraposición de la descarga de fondo, la
que permite la salida controlada de aguas de los estratos
profundos del embalse.
o Vertedero como elemento de canal
Los vertederos se usan conjuntamente con las compuertas para
mantener un río navegable o para proveer del nivel necesario a la
navegación. En este caso, el vertedero está construido
significativamente más largo que el ancho del río, formando una
"U" o haciendo diagonales, perpendicularmente al paso. Dado
que el vertedero es la parte donde el agua se desborda, un
vertedero largo permite pasar una mayor cantidad de agua con un
pequeño incremento en la profundidad de derrame. Esto se hace
con el fin de minimizar las fluctuaciones en el nivel de río aguas
arriba.
Los vertederos permiten a los hidrólogos un método simple para
medir el caudal en flujos de agua. Conocida la geometría de la
zona alta del vertedero y el nivel del agua sobre el vertedero, se
conoce que el líquido pasa de régimen lento a rápido, y encima
del vertedero de pared gruesa, el agua adopta el calado crítico.
Los vertederos son muy utilizados en ríos para mantener el nivel
del agua y ser aprovechado como lagos, zona de navegación y de
esparcimiento. Los molinos hidráulicos suelen usar presas para
subir el nivel del agua y aprovechar el salto para mover las
turbinas.
Debido a que un vertedero incrementa el contenido en oxígeno
del agua que pasa sobre la cresta, puede generar un efecto
benéfico en la ecología local del río. Una represa reduce
artificialmente la velocidad del agua, lo que puede incrementar los
procesos de sedimentación, aguas arriba; y un incremento de la
capacidad de erosión aguas abajo.
- Clasificaciones:
Los vertederos pueden ser clasificados de varias formas:
o Por su localización en relación a la estructura principal:
Vertederos frontales
Vertederos laterales
Vertederos tulipa; este tipo de vertedero se sitúa fuera de la presa
y la descarga puede estar fuera del cauce aguas abajo.
(Vertedero tulipa descargando agua)
o Desde el punto de vista de los instrumentos para el control del
caudal vertido:
Vertederos libres, sin control.
Vertederos controlados por compuertas.
o Desde el punto de vista de la pared donde se produce el
vertimiento:
Vertedero de pared delgada
Vertedero de pared gruesa
Vertedero con perfil hidráulico
o Desde el punto de vista de la sección por la cual se da el
vertimiento:
Rectangulares
Trapezoidales
Triangulares
Circulares
Lineales, en estos el caudal vertido es una función lineal del
tirante de agua sobre la cresta
o Desde el punto de vista de su funcionamiento, en relación al
nivel aguas abajo:
Vertedero libre, no influenciado por el nivel aguas abajo
Vertedero ahogado
o Desde el punto de vista de su función principal
Descarga de demasías, permitiendo la salida del exceso de agua
de las represas, ya sea en forma libre, controlada o mixta, en este
caso, el vertedero es también conocido como aliviadero. Estas
estructuras son las encargadas de garantizar la seguridad de la
obra hidráulica como un todo;
Como instrumento para medir el caudal, ya sea en forma
permanente, en cuyo caso se asocia con una medición y registro
de nivel permanente, o en una instalación provisional, para aforar
fuentes, o manantiales;
Como estructura destinada al mantenimiento de un nivel poco
variable aguas arriba, ya sea en un río, donde se quiere mejorar o
garantizar la navegación independientemente del caudal de este;
o en un canal de riego donde se quiera garantizar un nivel poco
variable aguas arriba, donde se ubica una toma para un canal
derivado. En este caso se trata de vertederos de longitud mayor
que el ancho del río o canal. La longitud del vertedero se calcula
en función de la variación de nivel que se quiere permitir;
Como dispositivo para permitir la salida de la lámina superficial
del agua en decantadores en plantas potabilizadoras de agua;
Como estructuras de repartición de caudales.
Como estructura destinada a aumentar la aireación (oxigenación)
en cauces naturales favoreciendo de esta forma la capacidad de
autodepuración de sus aguas. En este caso se trata siempre de
vertederos de paredes gruesas, más asimilables asaltos de fondo.
VERTEDEROS TRIANGULARES
Los vertederos triangulares son semejantes a los rectangulares pero la
abertura del tabique tiene forma de V con un ángulo que varía entre los
60º y 90º.
Este tipo de vertedero se emplea con frecuencia paramedir caudales
pequeños (inferiores aproximadamente a 6 l/s), porque la sección
transversal de la lámina vertiente muestra de manera notoria la variación
en altura. En laFigura 5 semuestra un esquema de la geometría de este
tipo de vertedero.
Ecuación para un vertedero triangular de pared delgada:
Siguiendo el mismo procedimiento anterior y despreciando el valor de
puesto que el canal de aproximación es siempre más ancho que el
vertedero, se obtiene la descarga a través de una pequeña faja Z; como q =
b Z [2g (h-Z)]1/2 y ,
entonces:
haciendo y=h-Z
Y para obtener el caudal real se introduce un coeficiente de descarga Cd:
4. EQUIPOS A UTILIZAR:
Este módulo consta de distintos elementos que se emplean en
combinación con el Banco Hidráulico con una boquilla especial que se
acopla a la boquilla de salida del Banco Hidráulico.
Dos pantallas tranquilizadoras que, junto con el elemento anterior,
proporcionan una corriente lenta en el canal.
o Un medidor de nivel consistente en un “nonius”, que se ajusta en un
mástil, donde las alturas quedan señaladas en un calibre acoplado a
éste.
o Un pequeño garfio o una punta se acoplan a la base inferior del
mástil para realizar las medidas.
o Dos vertederos de escotadura rectangular y en forma de “V”, que se
montan en un soporte y se fijan a la parte final del canal del Banco
Hidráulico.
o PROBETA: Es un instrumento volumétrico, que permite medir
volúmenes. Está formado por un tubo generalmente transparente de
unos centímetros de diámetro, y tiene una graduación (serie de
marcas grabadas) desde 0 ml. (hasta el máximo de la probeta)
indicando distintos volúmenes. En la parte inferior posee una base
que sirve de apoyo, mientras que por la parte superior se introduce
el líquido, suele tener un pico que permite verter el líquido. Para la
practica la probeta nos ayudar a determinar el caudal
5. PROCEDIMIENTO:
Montar el equipo (pantalla, embocadura y placa – vertedero).
Emplazar el soporte portador del nonius en la mitad,
aproximadamente, de la distancia que separa el vertedero de la
pantalla.
Suministrar agua al canal hasta que esta descargue por el vertedero.
Cerrar la válvula de control de suministro y parar la bomba.
Dejar que el nivel del agua en el canal se estabilice.
Tras establecer con precisión un mínimo contacto entre la punta del
garfio y la superficie libre del agua, proceder a ajustar e inmovilizar el
“nonius” del calibre a 0.
Suministrar agua al canal ajustando la válvula de control del caudal
para ir obteniendo, sucesivamente, incrementos descalonados de la
altura de la carga “h”.
En cada variación escalonada del caudal , y una vez que se hallan
estabilizado las condiciones del régimen, medir y anotar el valor de
la altura de carga “h”, así como el caudal con ayuda del tanque
volumétrico y también con la probeta graduada y el cronometro.
Determinar el ángulo ϴ, en el vértice de la escotadura, para, junto
con los datos obtenidos en la práctica.
6. RESULTADOS Y GRAFICOS
TRIANGULARVOLUMEN (M^3) TIEMPO (s) Q (m^3/S) Y1(m) m K C Q
0.000815 7.82 1.04E-040.0185
7.087 2.239 0.316 1.04E-040.00078 8.04 9.70E-05 7.087 2.084 0.294 9.70E-05
0.000842 8.71 9.67E-05 7.087 2.077 0.293 9.67E-050.00079 3.85 2.05E-04
0.0257.087 2.076 0.293 2.05E-04
0.000905 4.14 2.19E-04 7.087 2.212 0.312 2.19E-040.000852 3.87 2.20E-04 7.087 2.228 0.314 2.20E-040.000805 2.49 3.23E-04
0.030057.087 2.065 0.291 3.23E-04
0.00086 2.61 3.30E-04 7.087 2.105 0.297 3.30E-040.000888 2.62 3.39E-04 7.087 2.165 0.306 3.39E-04
1.04E-04
9.70E-05
9.67E-05
2.05E-04
2.19E-04
2.20E-04
3.23E-04
3.30E-04
3.39E-04
0.2750.2800.2850.2900.2950.3000.3050.3100.3150.320
Q(m3/seg.) VS Cm
Q(m3/seg.) VS Cm
Q (m3/seg.)
Cm
0.015 0.020 0.025 0.030 0.0350
0.00005
0.0001
0.00015
0.0002
0.00025
0.0003
0.00035
h VS Q (̂2/5)Linear (h VS Q (̂2/5))Series4Linear (Series4)
H (m)
Q(̂2
/5)
7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:
se ha determinado el caudal real, y lo hemos comparado con los
valores del caudal teórico, como se puede ver los valores y graficas
tienen una estrecha relación.
Se ha logrado calcular el coeficiente (Uc), para dichos caudales
gracias a los datos obtenidos en el laboratorio.
Estos tipos de ensayos nos ayudan a conocer la forma como ocurren
los diferentes fenómenos que se producen en este tipo de obras
hidráulicas como son los vertederos.
Como recomendación tener el cuidado necesario a la hora de
calibrar el equipo para una adecuada toma de datos.
8. ANEXOS
Primero llenamos el banco hidráulico hasta una cierta altura, luego empezamos a
medir nuestro primer tirante
Calculamos los caudales, a un
determinado tiempo por medio de una
probeta
Y así sucesivamente realizamos diferentes
ensayos para un determinado tirante
