Post on 25-Dec-2015
description
ÍNDICE
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE INGENIERÍA GEOLÓGICA
PRÁCTICA DE LABORATORIO N° 2: AFORO EN LA BOCATOMA – CANAL SANTA TERESA
EN EL RÍO CHONTA
CURSO : MECÁNICA DE FLUIDOS
DOCENTE : ING. LUIS LEÓN SÁNCHEZ.
CICLO : VACACIONAL
INTEGRANTES:
CUEVA BUSTAMANTE, EBERT LUIS.
Díaz Castañeda, José Daniel.
Díaz León, Miguel Ángel.
Fernández cruzado, Kelvin.
Huamán Yopla, Henry.
CAJAMARCA, 18 DE FEBRERO DEL 2015
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA
Facultad de IngenieríaEscuela Académico Profesional de Ingeniería Geológica
ÍNDICE
RESUMEN
INTRODUCCIÓN
PRÁCTICA DE LABORATORIO N° 2:...................................................................................1
I. REVISION LITERARIA.................................................................................................1
1.1. DEFINICIÓN DE VERTEDERO...........................................................................1
1.2. CLASIFICACIÓN DE LOS VERTEDEROS........................................................2
1.3. LA LONGITUD DE LA CRESTA..........................................................................5
1.4. INFLUENCIA DE LAS CONTRACCIONES.......................................................5
1.5. INFLUENCIA DE LA FORMA DE LA VENA......................................................6
1.6. DETERMINACION TEÓRICA DEL CAUDAL DE UN VERTEDERO.............7
1.7. INFLUENCIA DE LA VELOCIDAD DE LLEGADA............................................9
II. OBJETIVOS...................................................................................................................9
2.1. GENERAL...............................................................................................................9
2.2. ESPECÍFICOS.......................................................................................................9
III. MATERIALES............................................................................................................9
IV. UBICACIÓN GEOGRÁFICA DE LA PRÁCTICA.................................................10
V. PROCEDIMIENTO Y DATOS....................................................................................10
5.1. PROCEDIMIENTO..............................................................................................10
5.2. DATOS REGISTRADOS....................................................................................11
VI. CÁLCULOS..............................................................................................................13
6.1. VERTEDERO GRANDE.....................................................................................13
6.2. VERTEDERO PEQUEÑO..................................................................................14
VII. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.......................................................15
7.1. CONCLUSIONES................................................................................................15
7.2. RECOMENDACIONES.......................................................................................15
VIII. BIBLIOGRAFÍA........................................................................................................15
IX. ANEXOS...................................................................................................................16
9.1. FOTOGRAFÍAS...................................................................................................16
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA
Facultad de IngenieríaEscuela Académico Profesional de Ingeniería Geológica
RESUMEN
Dadas las instrucciones y recomendaciones en el aula, por parte del ingeniero
a cargo, la presente práctica se realizó a la altura del Puente Unión, ubicado
geográficamente en el distrito de Los Baños del Inca, a unos 4.5 kilómetros de
la Ciudad de Cajamarca.
Concentrados en la Bocatoma de Santa Teresa, procedimos a la toma de datos
del vertedero para los cálculos, que nos darán como resultado el caudal del río.
Se tomaron datos como: la altura de carga (H), ancho del vertedero (b), altura
de cresta (p).
Así mismo, cabe señalar que los datos y los cálculos fueron divididos, pues el
vertedero presentaba la compuerta rota, de tal modo que el agua escapaba por
tal zona y se determinaron dos caudales.
Las complicaciones que se presentaron para la realización de este trabajo
fueron las condiciones climáticas, pues a medida que llovía, el caudal del río
iba incrementándose, lo que impedía la toma de datos al 100%.
Finalmente con los datos recogidos procedimos a realizar los cálculos
correspondientes para cumplir con el objetivo de determinar el caudal del río
Chonta.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA
Facultad de IngenieríaEscuela Académico Profesional de Ingeniería Geológica
INTRODUCCIÓN
Los vertederos son estructuras complementarias utilizadas para diferentes
funciones; por ejemplo, en la ingeniería de presas se utilizan para pasar el
agua de las inundaciones de una manera segura aguas abajo cuando el
embalse está lleno, también se utilizan para obras de desagüe en presas y en
obras de desviación en ríos, donde los vertederos son presas con niveles
relativamente bajos construidas para elevar suficientemente el nivel y desviar la
totalidad o parte del flujo hacia un canal de suministro o conducto de irrigación,
generación hidroeléctrica, usos domésticos e industriales, etc. Los vertederos
también se utilizan para desviar inundaciones repentinas hacia áreas de
irrigación o para recarga de acuíferos subterráneos.
Para los canales lo vertederos se emplean como estructuras para controlar y
medir caudales.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA
Facultad de IngenieríaEscuela Académico Profesional de Ingeniería Geológica
PRÁCTICA DE LABORATORIO N° 2:
AFORO EN LA BOCATOMA – CANAL SANTA TERESA EN EL RÍO CHONTA
I. REVISION LITERARIA.
I.1. DEFINICIÓN DE VERTEDERO.
Cuando el borde superior del orificio por donde se vacía un depósito no existe,
o en caso de existir, está por encima del nivel del líquido, se dice que el
desagüe tiene lugar por vertedero.
El primero que se ocupó de esta cuestión fue G. Poleni, quien consideró el
vertedero como un gran número de orificios continuos, y de este modo trato de
calcular tanto el vertedero completo con salida al aire libre, como el incompleto
o sumergido, en el que una parte del derrame tiene lugar bajo una lámina de
agua (llamado por dicho autor motus mixtus).
Los vertederos son utilizados, intensiva y satisfactoriamente, en la medición del
caudal de pequeños cursos de agua y conductos libres, así como en el control
del flujo en galerías y canales.
I.1.1. TERMINOLOGIA
· El borde superior se denomina cresta, pared o umbral.
· Los bordes verticales constituyen las caras del vertedero.
· La carga del vertedor, H, es la altura alcanzada por el agua, a
partir de la cresta del vertedor.
· Los niveles a ambos lados del vertedor se llaman niveles, ¨aguas
arriba¨ y ¨aguas abajo¨, respectivamente.
Debido a la depresión de la lámina vertiente junto al vertedor la carga H
debe ser medida aguas arriba, a una distancia aproximadamente igual
o superior a 5H.
Orificio bajo carga variable – Mecánica de Fluidos Página 1
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA
Facultad de IngenieríaEscuela Académico Profesional de Ingeniería Geológica
I.2. CLASIFICACIÓN DE LOS VERTEDEROS.
Aceptando las más variadas formas y disposiciones, los vertederos presentan
los más diversos comportamientos, siendo muchos los factores que pueden
servir de base para su clasificación, entre estos están:
I.2.1. SU FORMA.
Según sus formas pueden ser simples o compuestos.
A. Dentro de los simples están:
Rectangulares:
Para este tipo de vertederos se recomienda que la cresta del
vertedero sea perfectamente horizontal, con un espesor no mayor a 2
mm en bisel.
Triangular:
Hacen posible una mayor precisión en la medida de carga
correspondiente a caudales reducidos. Estos vertedores
generalmente son construidos en placas metálicas en la práctica,
solamente son empleados los que tienen forma isósceles, siendo más
usuales los de 90°.
Orificio bajo carga variable – Mecánica de Fluidos Página 2
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA
Facultad de IngenieríaEscuela Académico Profesional de Ingeniería Geológica
Trapezoidal de cipolleti:
Cipolleti procuro determinar un vertedor trapezoidal que compense el
decrecimiento del caudal debido a las contracciones. La inclinación
de las caras fue establecida de modo que la descarga a través de las
caras fue establecida de modo que la descarga a través de las
paredes triangulares del vertedor corresponda al decrecimiento de la
descarga debido a contracciones laterales, con la ventaja de evitar la
corrección en los cálculos. Para estas condiciones, el talud resulta 1:4
(1 horizontal para 4 vertical).
Circular:
Se emplean rara vez, ofrecen como ventajas la facilidad de
construcción y que no requieren el nivelamiento de la cresta.
Orificio bajo carga variable – Mecánica de Fluidos Página 3
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA
Facultad de IngenieríaEscuela Académico Profesional de Ingeniería Geológica
Proporcionales:
Son construidos con una forma especial, para el cual varia
proporcionalmente a la altura de lámina liquida (primera potencia de
H). Por eso también se denominan vertedores de ecuación lineal.
Se aplican ventajosamente en algunos casos de control de las
condiciones de flujo en canales, particularmente en canales de
sección rectangular, en plantas de tratamiento de aguas residuales.
B. Compuestos:
Están constituidos por secciones combinadas.
I.2.2. SU ALTURA RELATIVA DEL UMBRAL.
Pueden ser vertedores completos o libres, cuando el nivel de aguas
arriba es mayor que el nivel aguas abajo, es decir p>p'.
O incompletos o ahogados, en estos el nivel de aguas abajo es superior
al de la cresta, p´> p, en los vertedores ahogados el caudal disminuye a
medida que aumenta la sumersión.
I.2.3. EL ESPESOR DE LA PARED
Según el espesor de la pared los vertedores se clasifican en:
Vertedores de pared delgada:
La descarga se efectúa sobre una placa con perfil de cualquier
forma, pero con arista aguda.
Orificio bajo carga variable – Mecánica de Fluidos Página 4
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA
Facultad de IngenieríaEscuela Académico Profesional de Ingeniería Geológica
Vertedores de pared gruesa:
e>0.66H, la cresta es suficientemente gruesa para que en la vena
adherente se establezca el paralelismo de los filetes.
I.3. LA LONGITUD DE LA CRESTA
Pueden ser vertedores sin contracciones laterales (L=B), cuando la longitud de
la cresta es igual al ancho del canal y vertedores con contracciones laterales
(L<B), la longitud L es menor que el ancho del canal de acceso.
I.4. INFLUENCIA DE LAS CONTRACCIONES.Como ya se había mencionado las contracciones ocurren en los vertedores
cuyo ancho es inferior al del canal en que se encuentra instalado.
Francis, concluyo después de muchos experimentos que todo pasa como si en
el vertedor con contracciones el ancho se hubiera reducido, según él, se debe
considerar en la aplicación de la formula en valor corregido para L.
Orificio bajo carga variable – Mecánica de Fluidos Página 5
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA
Facultad de IngenieríaEscuela Académico Profesional de Ingeniería Geológica
Para una contracción: L´=L-0.1H
Para dos contracciones: L´=L-0.2H
Las correcciones de Francis también han sido aplicadas a otras expresiones
incluyéndose, entre estas, la propia formula de Bazin.
I.5. INFLUENCIA DE LA FORMA DE LA VENA.
FIGURA 1.
En los vertedores en el que el aire no penetra en el espacio W, debajo de la
lámina vertiente puede ocurrir una depresión, modificándose la posición de la
vena y alterándose el caudal.
Esta influencia se puede verificar en vertedores sin contracciones o en
vertedores con contracciones, en los cuales la prolongación de las caras
encierra totalmente la vena vertiente, aislando el espacio W.
En estas condiciones la lámina vertiente puede tomar una de las siguientes
formas:
· Lámina deprimida: el aire es arrastrado por el agua, ocurriendo un
vacío parcial en W, que modifica la posición de la vena.
· Lámina adherente: ocurre cuando el aire sale totalmente. En
cualquiera de estos casos el caudal es superior al previsto o dado por
las formulas indicadas.
Orificio bajo carga variable – Mecánica de Fluidos Página 6
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA
Facultad de IngenieríaEscuela Académico Profesional de Ingeniería Geológica
· Lámina ahogada: cuando el nivel aguas abajo es superior al de la
cresta p´> p.
I.6. DETERMINACION TEÓRICA DEL CAUDAL DE UN VERTEDERO.
Para el cálculo del caudal, se considera un vertedor de pared delgada y
sección geométrica como se muestra en la figura 2, cuya cresta se encuentra a
una altura W, medida desde la plantilla del canal de alimentación. El desnivel
entre la superficie inalterada del agua, antes del vertedor y la cresta, es h y la
velocidad uniforme de llegada del agua es V0, de tal modo que:
Si W es muy grande, V02/2g es despreciable y H=h
La ecuación general para el perfil de las formas usuales de vertedores de pared
delgada puede representarse por:
X= f(y), que normalmente será conocida
FIGURA 2.
Aplicando la ecuación de Bernoulli para una línea de corriente entre los puntos
0 y 1, de la figura 2, se tiene:
Orificio bajo carga variable – Mecánica de Fluidos Página 7
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA
Facultad de IngenieríaEscuela Académico Profesional de Ingeniería Geológica
Si V02/2g, es despreciable, la velocidad en cualquier punto de la sección 1 vale:
El gasto a través del área elemental, de la figura 2, es entonces:
Donde m considera el efecto de contracción de la lámina vertiente
El gasto total vale:
Que sería la ecuación general del gasto para un vertedor de pared delgada, la
cual es posible integrar si se conoce la forma del vertedor. En la deducción de
la formula se omitió la perdida de energía que se considera incluida en el
coeficiente m, se supuso que las velocidades en la sección 1 tienen dirección
horizontal y con distribución parabólica, y por otra parte al aplicar Bernoulli
entre los puntos 0 y 1 se supuso una distribución hidrostática de presiones.
I.7. INFLUENCIA DE LA VELOCIDAD DE LLEGADA
La fórmula de Francis, que considera la velocidad del agua en el canal de
acceso, es la siguiente:
Orificio bajo carga variable – Mecánica de Fluidos Página 8
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA
Facultad de IngenieríaEscuela Académico Profesional de Ingeniería Geológica
Dónde: V es la velocidad en el canal.
En muchos casos prácticos esa influencia es despreciable. Ella debe ser
considerada en los casos en que la velocidad de llegada del agua es elevada,
en los trabajos en que se requiere gran precisión, y siempre que la sección del
canal de acceso sea inferior a 6 veces el área de flujo en el vertedor
(aproximadamente LxH).
II. OBJETIVOS.
II.1. GENERAL.
Medir y registrar los datos del Vertedero de la Bocatoma de Santa
Teresa, ubicado en los Baños del Inca.
II.2. ESPECÍFICOS.
- Determinar el caudal del vertedero.
III. MATERIALES.- Soga.
- Flexómetro y wincha (50 m.).
- Cámara digital
- Una varilla o palo.
IV. UBICACIÓN GEOGRÁFICA DE LA PRÁCTICA.
Orificio bajo carga variable – Mecánica de Fluidos Página 9
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA
Facultad de IngenieríaEscuela Académico Profesional de Ingeniería Geológica
FIGURA. Ubicación geográfica del lugar de práctica en Los Baños del Inca.
V. PROCEDIMIENTO Y DATOS.
V.1. PROCEDIMIENTO.
Ubicándonos en la Bocatoma de Baños del Inca, procedimos a registrar
los datos en todas sus dimensiones:
a. Primero: ubicándonos cuidadosamente entre los extremos del muro
del vertedero, medimos el ancho del mismo.
b. Segundo: haciendo uso de una varilla lo suficientemente resistente a
la fuerza del río, para evitar que se la lleve, colocamos desde el techo
del muro, para medir la altura de carga (H), el palo o varilla marcará
hasta donde está el nivel del agua.
c. Tercero: medimos desde la base del muro hasta el techo para
determinar la altura de cresta.
Observaciones:
Orificio bajo carga variable – Mecánica de Fluidos Página 10
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA
Facultad de IngenieríaEscuela Académico Profesional de Ingeniería Geológica
- Para la determinación del caudal total, se realizaron dos cálculos, puesto
que la Bocatoma, no se encuentra en condiciones ideales para realizar
un solo cálculo, debido a que la compuerta en esta ocasión se encuentra
rota, y existe un escape de fluido (por donde debería estar la
compuerta).
- Para el caso del vertedero grande se tuvo que realizer las medidas cada
dos metros (debido a su ancho), para mejor exactitud en las medidas (en
total fueron 10 medidas de donde se sacó un promedio).
V.2. DATOS REGISTRADOS.Para tal caso, explicado en las observaciones, tenemos:
Vertedero pequeño.
Ancho del muro (b): 1.5 m.
Altura de carga (H): 0.57 m.
Altura de cresta (p): 1.0 m.
VISTA DE PERFIL DEL VERTEDERO PEQUEÑO
Vertedero grande.
Ancho del muro (b): 23.9 m.
Altura de carga (H): 0.27 m.
Orificio bajo carga variable – Mecánica de Fluidos Página 11
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA
Facultad de IngenieríaEscuela Académico Profesional de Ingeniería Geológica
Altura de cresta (p): 1.6 m.
VISTA DE PERFIL DEL VERTEDERO DE MURO LONGITUDINALMENTE GRANDE
VISTA EN PLANTA DE LOS VERTEDEROS. AL LADO IZQUIERDO LA COMPUERTA.
Orificio bajo carga variable – Mecánica de Fluidos Página 12
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA
Facultad de IngenieríaEscuela Académico Profesional de Ingeniería Geológica
VI. CÁLCULOS.
VI.1. VERTEDERO GRANDE.
1 2 3 4 5 6 7 8 PROMEDIO
altura de carga (H)-cm. 27.00 26.00 25.60 27.20 25.40 25.40 28.00 28.20 26.60
Ancho del muro (b): 23.9 m.Altura de carga (H): 0.27 m.Altura de cresta (p): 1.6 m.
Q = 6.14
Orificio bajo carga variable – Mecánica de Fluidos Página 13
APLICANDO FÓRMULA:
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA
Facultad de IngenieríaEscuela Académico Profesional de Ingeniería Geológica
VI.2. VERTEDERO PEQUEÑO.
Orificio bajo carga variable – Mecánica de Fluidos Página 14
Ancho del muro (b): 3.2 m.Altura de carga (H): 0.57 m.Altura de cresta (p): 0.9 m.
APLICANDO FÓRMULA:
Q = 2.52
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA
Facultad de IngenieríaEscuela Académico Profesional de Ingeniería Geológica
VII. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
VII.1. CONCLUSIONES.
Se calculó el caudal experimentalmente, según la Fórmula de
Francis, cuyo resultado es 6.14 m3/s (vertedero grande), y 2.52 m3/s
(vertedero chico).
VII.2. RECOMENDACIONES
Estudiar bien los modelos de diseño para cada tipo de vertedero.
Registrar bien los datos para cálculos exactos.
Llevar el equipo necesario para trabajos que impliquen riesgos,
como una soga, en este caso.
VIII. BIBLIOGRAFÍA.
Bibliografía
SOTELO AVILA, Gilberto. Hidráulica General, Vol I, Fundamentos, México Limusa, 1977. 551 p
DE AZEVEDO NETTO, J.M.; ACOSTA ALVAREZ, Guillermo Manual de Hidráulica, Harper & Row Latinoamericana, México, 1975. 578 p
POTTER, Merle C. y Wiggert, David C. Mecánica de fluidos, 3ª Ed. México. Thompson, 2002. 769 p. http://www.thomsonlearning.com.mex
SHAMES, Irving H. Mecánica de fluidos, 3ª Ed. Santafé de Bogotá. McGraw Hill, 1998. 825 p
Orificio bajo carga variable – Mecánica de Fluidos Página 15
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA
Facultad de IngenieríaEscuela Académico Profesional de Ingeniería Geológica
Linkografía.
http://www.conagua.gob.mx/CONAGUA07/Noticias/vertedores.pdf
http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/medidores/vertederos/vertederos.html
http://www.uaemex.mx/pestud/licenciaturas/civil/hidraulica1/Pr%E1ctica%20HI%207.pdf
http://www.bvcooperacion.pe/biblioteca/bitstream/123456789/3956/6/BVCI0003320_20.pdf
http://artemisa.unicauca.edu.co/~hdulica/2_vertederos.pdf
http://www.bdigital.unal.edu.co/12697/31/3353962.2005.Parte%206.pdf
http://www2.alterra.wur.nl/Internet/webdocs/ilri-publicaties/publicaties/Pub38/pub38-h7.0.pdf
http://www.fi.uba.ar/archivos/institutos_orificios_vertederos.pdf
IX. ANEXOS.
IX.1. FOTOGRAFÍAS.
FOTO N°1: Vertedero vista aguas abajo.
Orificio bajo carga variable – Mecánica de Fluidos Página 16
Ancho de vertedero grande
Ancho de vertedero chico
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA
Facultad de IngenieríaEscuela Académico Profesional de Ingeniería Geológica
FOTO N° 2: Vertedero en toda su dimensión. Vista aguas arriba.
FOTO N° 3: Caida del agua del vertedero en forma cimacea.
Orificio bajo carga variable – Mecánica de Fluidos Página 17