Resalto Hidráulico

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INTRODUCCION En las instalaciones hidráulicas las tuberías y canales toman un rol importante al momento de crear sistemas adecuados y eficientes para el funcionamiento de cualquier tipo de trabajo, que sea necesario el transportar y direccionar cualquier tipo de fluido (liquido). Por lo cual el conocimiento de las características y fenómenos que actúan en las tuberías y canales es muy importante para tomar mejores decisiones en el momento de crear un sistema hidráulico, como por ejemplo, el estudio y determinación de energía específica y resalto hidráulico es un tema muy importante, ya que la energía especifica es la energía de agua que fluye a través de la sección, la cual es utilizada para resolver los más complejos problemas de transiciones cortas en los canales. Por el otro lado el resalto hidráulico es un fenómeno dado por el cambio de un régimen supercrítico a un régimen subcrítico. En el siguiente reporte encontraremos el análisis de ambos fenómenos y determinaremos su existencia y valor numérico por medio de un ensayo demostrativo realizado.

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Resalto Hidráulico

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INTRODUCCION

En las instalaciones hidráulicas las tuberías y canales toman un rol importante al momento de crear sistemas adecuados y eficientes para el funcionamiento de cualquier tipo de trabajo, que sea necesario el transportar y direccionar cualquier tipo de fluido (liquido). Por lo cual el conocimiento de las características y fenómenos que actúan en las tuberías y canales es muy importante para tomar mejores decisiones en el momento de crear un sistema hidráulico, como por ejemplo, el estudio y determinación de energía específica y resalto hidráulico es un tema muy importante, ya que la energía especifica es la energía de agua que fluye a través de la sección, la cual es utilizada para resolver los más complejos problemas de transiciones cortas en los canales. Por el otro lado el resalto hidráulico es un fenómeno dado por el cambio de un régimen supercrítico a un régimen subcrítico.

En el siguiente reporte encontraremos el análisis de ambos fenómenos y determinaremos su existencia y valor numérico por medio de un ensayo demostrativo realizado.

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OBJETIVOS

General

Determinar la formación del resalto hidráulico y la disipación de la energía especifica de

este resalto, en el canal utilizado.

Específicos

Identificar los tipos de flujo (crítico, supercrítico y subcrítico) en cada sección, utilizando

el número de Froude calculado.

Representar e interpretar la gráfica de la energía específica para el resalto hidráulico

analizado.

Demostrar por medio de una comparación valor teórico- valor experimental, el tirante Y 2,

por medio de la formula y los datos tomados en el ensayo demostrativo.

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ENERGÍA ESPECÍFICA

Es una cantidad útil para el estudio del flujo de canales abiertos y fue introducida por Boris Alexandrovich Bakhmeteffen 1912 en su libro “Hidráulica de canales abiertos” (Hydraulics of Open Channels), en la realidad podemos encontrar muchos ejemplos de canales abiertos, así como los ríos, las canaletas pluviales y muchos ejemplos más. Al estudiar la energía en el flujo de estos canales abiertos, se involucra la energía que posee el fluido en una sección particular de interés. La energía total se mide en relación con la plantilla del canal, y se compone de la energía potencial debido a la profundidad del fluido, más la energía cinética debido a su velocidad. Esta energía se denota con una E y se obtiene mediante la siguiente formula.

E= y+ v2

2 g(Ecuacion No.1)

En donde:y = profundidad del fluidov= velocidad promedio del flujo.

En esta ecuación los términos están definidos por unidades de energía por unidad de peso de fluido en movimiento. En canales abiertos por lo general se hace referencia a la energía específica como E y también se puede encontrar para una descarga Q (caudal), como:

E= y+ Q2

2 g A2 (Ecuacion No .2)

TIPOS DE FLUJO EN CANALES

Los tipos de flujo que se pueden dar según el número de Froude en canales abiertos son tres que son:

Flujo Crítico ( N F=1 ) Flujo subcrítico (N F< 1 ) Flujo supercrítico (N F> 1 )

Pero para antes conocer estos flujos es necesario conocer el número de Froude, que se define como la relación de las fuerzas inerciales a las gravitacionales, es decir que el mecanismo principal que sostiene flujo en un canal abierto es la fuerza de gravitación.

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Por ejemplo, la diferencia de altura entre dos embalses hará que el agua fluya a través de un canal que los conecta. Y está definido como:

N F=v

√ g yh

(Ecuacion No .3)

En donde:

yh= Profundidad hidráulica que está definida por: yh=AT en donde T es el ancho

de la superficie libre del fluido en la parte superior del canal.

Figura No. 1 Energía Específica

En la graficase encuentra una línea a 45⁰ que representa a E=y. Para cualquier punto sobre la curva la distancia horizontal entre esta línea y el eje y representa la energía potencial y. la distancia restante a la curva de la energía especifica es la energía cinemática, se puede demostrar también que cuando el valor de la energía especifica es mínima es cuando el flujo se encuentra en estado crítico, es decir cuando N F = 1, y su profundidad es denominada profundidad critica yc. El flujo es subcritico para cualquier profundidad que sea mayor a la profundidad crítica y es supercrítico a cualquier profundidad menor a la crítica. Como se puede observar en la siguiente figura a pesar que y1 esta debajo de la profundidad crítica y y2esta por arriba, tienen la misma energía. Se denomina a las dos trayectorias, y1 y y2, como trayectorias alternas de la energía especifica E.

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RESALTO HIDRÁULICO

En 1818, el italiano Bidone realizo las primeras investigaciones experimentales del resalto hidráulico. Esto llevó a Bélanger en 1928 a diferenciar entre las pendientes suaves (subcrítico) y las empinadas (supercríticas), debido a que observo que en canales empinados a menudo se producían resaltos hidráulicos generados por barreras en el flujo uniforme original.

En un principio, la teoría del resalto desarrollada corresponde a canales horizontales o ligeramente inclinados en los que el peso del agua dentro del resalto tiene muy poco efecto sobre su comportamiento y, por consiguiente, no se considera en el análisis. Sin embargo los resultados obtenidos de este modo pueden aplicarse a la mayor parte de los canales encontrados en problemas de ingeniería. Para canales con pendiente alta el efecto del peso del agua dentro del resalto puede ser tan significativo que debe incluirse en el análisis.

Los saltos hidráulicos ocurren cuando hay un conflicto entre los controles que se encuentran aguas arriba y aguas abajo, los cuales influyen en la misma extensión del canal. Este puede producirse en cualquier canal, pero en la práctica los resaltos se obligan a formarse en canales de fondo horizontal, ya que el estudio de un resalto en un canal con pendiente es un problema complejo y difícil de analizar teóricamente. El salto hidráulico puede tener lugar ya sea, sobre la superficie libre de un flujo homogéneo o en una interface de densidad de un flujo estratificado y en cualquiera de estos casos el salto hidráulico va acompañado por una turbulencia importante y una disipación de energía. Cuando en un canal con flujo supercrítico se coloca un obstáculo que obligue a disminuir la velocidad del agua hasta un valor inferior a la velocidad crítica se genera una onda estacionaria de altura infinita a la que se denomina resalto hidráulico, la velocidad del agua se reduce de un valor V1 > C a V2 < C, la profundidad del flujo aumenta de un valor bajo Y1 denominado inicial a un valor Y2 alto denominado se cuente.

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Resalto En Canales RectangularesPara un flujo supercrítico en un canal rectangular horizontal, 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 incremento en la profundidad en la dirección del flujo.

Un resalto 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:

Y 2

Y 1=1

2 (√1+8 F12−1)(Ecuaion No .1)

Resalto En Canales InclinadosEn el análisis de resaltos hidráulicos en canales pendientes o con pendientes apreciables, es esencial considerar el peso del agua dentro del resalto, por esta razón no pueden emplearse las ecuaciones de momento, ya que en canales horizontales el efecto de este peso es insignificante. Sin embargo puede emplearse una expresión análoga a la ecuación utilizando el principio de momento que contendrá una función empírica que debe determinarse experimentalmente.

Figura No. 1 Resalto Hidráulico

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ClasificaciónLos resaltos hidráulicos en fondos horizontales se clasifican en varias clases y en general esta clasificación se da, de acuerdo con el número de Froude (F1) del flujo entrante. Para F1=1 el flujo es crítico y por consiguiente no se firma resalto, para 1.0<F1<1.7 la superficie del agua muestra ondulaciones y se presenta el resalto ondulante, para 1.7<F1<2.5 se desarrolla una serie de remolinos sobre la superficie del agua. Pero aguas abajo permanece uniforme y la velocidad de la sección es razonablemente uniforme y la perdida de energía es baja presentándose entonces el resalto débil, para 2.5<F1<4.5 existe un chorro oscilante que entra desde el fondo del resalto hasta la superficie y se devuelve sin ninguna periodicidad y cada oscilación produce una onda grande con periodo irregular produciéndose entonces el resalto oscilante, para 4.5<F1<9.0 la extremidad de aguas abajo del remolino superficial y el punto sobre el cual el chorro de alta velocidad tiende a dejar ocurren prácticamente en la misma sección vertical la acción y posición de este resalto son menos sensibles a la variación en la profundidad de aguas abajo, el resalto es bien balanceado y su comportamiento es el mejor presentándose de esta manera el resalto estable, para F1>9.0 el chorro de alta velocidad choca con paquetes de agua intermitentes que corren hacia abajo a lo largo de la cara frontal del resalto generando ondas hacia aguas abajo y puede prevalecer una superficie rugosa, la acción del resalto es brusca pero efectiva produciéndose entonces el resalto fuerte.

Figura No. 2 Energía Específica Del Resalto Hidráulico

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ControlEl resalto hidráulico puede controlarse o afectarse por medio de obstáculos de diferentes diseños como vertederos de cresta delgada, de crestas anchas y subidas y descensos abruptos en el fondo del canal. La función del obstáculo es asegurar la formación del resalto y controlar su posición en todas las condiciones probables de operación. Varios experimentos han demostrado que las fuerzas que actúan sobre un obstáculo en un resalto disminuyen rápidamente hasta un mínimo a medida que el extremo de aguas abajo del resalto se mueve hacia aguas arriba hasta una posición encima del obstáculo. De ahí en adelante la fuerza se incrementa con lentitud hasta un valor constante a medida que el resalto se aleja más hacia aguas arriba. En teoría, el control del resalto hidráulico mediante obstáculos puede analizarse utilizando la teoría del momento. El control de resaltos mediante obstáculos es útil si la profundidad de aguas abajo es menor que la profundidad se cuente para un resalto normal, pero si la primera es mayor que la segunda debe utilizarse una caída en el piso del canal para asegurar un resalto. Por lo general esta condición ocurre a la salida de una expansión con flujo supercrítico.

AplicacionesEn el campo del flujo en canales abiertos el salto hidráulico suele tener muchas aplicaciones entre las que están:

La disipación de energía en flujos sobre diques, vertederos, presas y otras estructuras hidráulicas y prevenir de esta manera la socavación aguas debajo de las estructuras.

La reducción de la elevada presión bajo las estructuras mediante la elevación del tirante del agua sobre la guarnición de defensa de la estructura.

La mezcla de sustancias químicas usadas para la purificación o tratamiento de agua.

La aireación de flujos y el desclorinado en el tratamiento de agua. La remoción de bolsas de aire con flujo de canales abiertos en canales circulares. La identificación de condiciones especiales de flujo con el fin de medir la razón

efectividad-costo del flujo. Recuperar altura o aumentar el nivel del agua en el lado de aguas debajo de una

canaleta de medición y mantener un nivel alto del agua en el canal de irrigación o de cualquier estructura para distribución de aguas.

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CaracterísticasAlgunas de las características del resalto hidráulico en canales rectangulares horizontales son:

Perdida de energía: en el resalto la pérdida de la energía es igual a la diferencia de las energías especificas antes y después del resalto.

Eficiencia: la relación entre la energía especifica antes y después del resalto se define como la eficiencia del resalto.

Altura del resalto: la diferencia entre las profundidades antes y después del resalto es la altura del resalto.

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EQUIPO UTILIZADO

Cronómetro:El cronómetro es un reloj cuya precisión ha sido comprobada y certificada por algún instituto o centro de control de precisión.

Figura No. 3 Cronometro

Deposito Aforador:Es un sistema importante poder medir con exactitud el caudal en las derivaciones y en las tomas del canal de modo que el agua disponible pueda suministrarse a las zonas que verdaderamente la necesitan y evitar su distribución incorrecta.

Figura No. 4 Depósito

Cinta métrica:Instrumento de medida que consiste en una cinta flexible graduada y se puede enrollar, haciendo que el transporte sea más fácil.

Figura No. 5 cinta métrica

Bomba Centrifuga:Una bomba centrífuga es una máquina que consiste de un conjunto de paletas rotatorias encerradas dentro de una caja o cárter, o una cubierta o coraza. Se denominan así porque la cota de presión que crean es ampliamente atribuible a la acción centrífuga.

Figura No. 6 Bomba Centrifuga

Canal Rectangular Plástico:Los canales rectangulares son utilizados para pequeños caudales, y los trapezoidales para caudales importantes.

Figura No. 7 Canal rectangular plástico

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DESCRIPCIÓN DEL ENSAYO

1. Se pone en funcionamiento el canal plástico, regulando el caudal a un valor constante y

abriendo la compuerta de metal que se encuentra en el interior del canal para que pueda

circular el fluido (H2O), a su vez se abre la compuerta ubicada en el extremo del canal

para que pueda salir el fluido y se pueda regular el resalto hidráulico.

2. Una vez arrancada la bomba, se procede a observar la formación y estabilización del

resalto hidráulico.

3. Se Identifica el tipo de flujo que se presenta en el canal antes y después del cambio de

velocidad debido al resalto hidráulico.

4. Una vez estabilizado el resalto hidráulico se procede a medir con una cinta métrica el

tirante de agua (Y) en los puntos donde hay una diferencia de alturas (Y 0 , Y 1 , Y 2).

5. Para tener una comparación de datos se toma la medida experimental de la longitud del

resalto para luego compararla con el dato que se obtendrá por medio de ecuaciones

teóricas.

6. Durante el proceso se procederá a medir el caudal, por medio de un dispositivo aforador,

para así obtener el caudal volumétrico que pasa por el canal para cierto tiempo, este

proceso se realizara tres veces para obtener un promedio del caudal que circula en el

canal.

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DATOS DE LABORATORIO

Tabla No. 1 Datos de Laboratorio

29 cm

15 cm

3.5 cm

H [cm] Volumen [lts/seg] Tiempo[seg] Vol [cm^3/seg]38 525.23 23.72 525230

37.3 519.94 24.22 51994036.9 516.92 24.57 516920

Datos de Laboratorio

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CALCULOS

3.1 Determine el caudal promedio.

No. 1 Q=Volumentiempo

=52523023.72

=22142.917 cm3

seg

No. 2 Q=51994024.22

=21467.382 cm3

seg

No. 3 Q=51692024.57

=21038.665 cm3

seg

Qpromedio=21549.654 cm3

seg

3.2 Calcular el área hidráulica.

No. 1 A=b∗y=31.50∗29.0=913.5 cm2

No. 2 A=31.5∗3.5=110.25cm2

No. 3 A=31.5∗15.0=472.5 cm2

3.3 Obtener la velocidad media en cm/seg.

No. 1 v= caudalarea

=21549.654913.5

=23.59 cmseg

No. 2 v=21549.654110.25

=195.46 cmseg

No. 3 v=21549.654472.5

=45.60 cmseg

3.4 Numero De Froude.

No. 1 f = velocidad√g∗y 1

= 23.558√981∗29.0

=0.1398

No. 2 f = 195.46√981∗3.50

=3.335

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No. 3 f = 45.60√981∗15.0

=0.3759

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3.5 Determine el tipo de flujo.

Tabla No. 2 Tipo De Flujo

3.6 Obtener la energía especifica.

No. 0 E= y+ velocidad2

2g=29.283 cm

No. 1 E=22.972 cm

No. 2 E=16.06 cm

3.7 Comprobar el tirante y2.

y 2= y12 (√1+8 F1

2−1)=14.835 cm

3.8 Calcule la longitud del resalto.

L=K ( y 2− y 1 )=5(11.5 )=57.5 cm

3.9 Determinar la altura del salto.

∆ h=( y 2− y 1 )=15−3.5=11.5 cm

3.10 Determinar la perdida de energía.

∆ E=( E 1−E 2 )=22.972−16.06=6.912cm

3.11 Determinar la eficiencia.

%E=∆ EE 1

∗100 %= 6.91222.972

(100 )=30.08 %

Tirante No. Froude Tipo de Flujo0 0.139861527 Sub-Critico1 3.335747705 Super-Critico2 0.375974486 Sub-Critico

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3.12 Curva de energía especifica.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

5

10

15

20

25Profundidad vrs Energía específica

Profundidad vrs Energía especifica

Energía específica [cm]

Prof

undi

dad

del fl

uido

[cm

]

Grafica No. 1 Energía Específica

3.13 Calcular la potencia del resalto hidráulico

Pot=γQ ∆ E=(0.001 kgfcm3 )(21549.65 cm3

seg ) (6.91cm )=148.90 Kgf −cmseg

=1.48 Watt

3.14 Dibujar el resalto hidráulico.∆ Linea de carga total

∆ E1−2=6.91 cm

V 22

2 g=¿1.06 cm

E1=22.97cm V 21

2g=¿19.47 cm E2 = 16.06 cm

Y2 = 15 cm

Y1 = 3.5 cm

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Energía específica en un resalto hidráulico

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ANALISIS DE RESULTADOS O CONCLUSIONES

Se lograron identificar que para valores de tirante bajos, sean por ende velocidades altas, el flujo tiende a ser supercrítico, se identificó un flujo subcrítico, y un flujo supercrítico.

Un resalto hidráulico se forma cuando ocurre el cambio de un flujo supercrítico a subcrítico, como logró identificarse a lo largo del canal ensayado, en donde el flujo supercrítico, se determinó en el tirante 1, para pasar a un flujo subcrítico, en el tirante 2. Se logró representar la energía específica a distintos tirantes y, para lo cual la energía especifica disminuye, conforme el tirante disminuye, variando en comportamiento parabólico.

Se logró identificar que en un resalto hidráulico ocurre un cambio súbito de energía cinética en potencial, para lo cual ocurre una pérdida de energía. Por tanto, si las alturas tomadas y las longitudes de los diferentes flujos, se puede analizar el comportamiento de la gráfica del régimen crítico y se calculó la energía crítica del canal según el flujo.

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BILIOGRAFIA

Fuentes Bibliográficas

Giles, Ranald V. (Mecánica de Fluidos E Hidráulica) 2da. Edición (PP. 287)

Montt, Robert. (Mecánica de los Fluido). Cuarta Edición. Prentice Hall. México,

1996.

Fuentes Electrónicas

Resalto Hidráulico. [En Línea] [26/12/13].

Disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/Resalto-hidraulico

Energía Específica. [En línea] [02/12/13]. Disponible en:

http://es.wikipedia.org/wiki/Energia

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ANEXOS

Figura No. 8 Fotografía del Equipo de Ensayo