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UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMÓN

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL

LABORATORIO DE HIDRÁULICA

“GUÍA DE LABORATORIO”

MATERIA:

MODELOS HIDRÁULICOS

COCHABAMBA – BOLIVIA

UMSS – FCyT – Dpto Ingeniería Civil Puertos y Vías Navegables

Elaborado por M. Sc. Ing. Galo Muñoz Vásquez 2

PRÁCTICA DE LABORATORIO:

MODELACIÓN FÍSICA DE UN VERTEDERO V-NOTCH DESCRIPCIÓN GENERAL Debe construirse en el Laboratorio de Hidráulica un modelo físico de un vertedero V-notch, que sea la réplica del vertedero de medición de caudales en el canal de aproximación de una presa. El vertedero del modelo permitirá deducir el coeficiente de descarga del vertedero real. La ecuación del vertedero V-notch es:

𝑄 = 8

15√2𝑔𝐶𝑒 tan (

𝜃

2) ℎ𝑒

2.5

Con:

ℎ𝑒 = ℎ𝑢 + 𝐾ℎ Donde Q el caudal evacuado, hu el tirante de agua medido encima el vertedero. Kh es una constante de 0.00117 m que se utiliza para corregir hu.

PROCEDIMIENTO Utilizar el canal didáctico del LHUMSS. Medir las dimensiones geométricas del canal. Imponer un caudal y medir los tirantes de agua instalados a diferentes distancias del vertedero V-notch. El canal del laboratorio y el aforador V-notch tendrán las características siguientes:

Tabla 1. Dimensiones geométricas del canal del Laboratorio de Hidráulica

PARÁMETRO SÍMBOLO UNIDAD MODELO PROTOTIPO

Ancho del canal b m 0.285

Altura de la pared canal H´ m 0.36

Pendiente canal So 0.001

Ángulo apertura V-notch θ grados 60

radianes 1.047

Altura del vértice del V-notch p m 0.15

Altura del V-notch H m 0.32

Máximo tirante en la garganta d m 0.170

Ancho mayor de la garganta λ m 0.196

Ancho ala del V-notch e m 0.044

La Figura 1 muestra los símbolos empleados. El vertedero V-notch es particular para cada grupo de trabajo. El vertedero puede ser construido de:

Pared de madera con borde de plancha metálica delgada, o

Todo el vertedero de plancha metálica La Figura 2 presenta la primera opción. La Figura 3 esquematiza una vista longitudinal del modelo físico a implementar en el laboratorio.



Fig. 1. Dimensiones del vertedero V-notch

Fig.2 Opciones para construir el vertedero

Fig. 3 Esquema longitudinal de la disposición del vertedero V-notch y de los puntos de medición

El vertedero construido será fijado en el canal aprovechando la pestaña de vidrio que tiene. Eventualmente puede utilizarse silicona para unir el vertedero y la pared del canal (tomar en cuenta que la silicona tarda 24 hrs para garantizar impermeabilidad en las uniones de las piezas).

PROCEDIMIENTO

a) Una vez instalado el vertedero, se dotará al canal la inclinación señalada.

b) Se dejará correr un caudal y se medirán las alturas de agua h, tal como señala el esquema. La ubicación de las reglas debe ser a criterio de los estudiantes. Al menos una de ellas debe estar alejada una distancia mayor a cuatro veces el tirante de agua sobre la cresta del vertedero. Para las lecturas del nivel de agua se sugiere el empleo de los limnímetros que tiene el LHUMSS.



c) Determinar el caudal circulante por el canal mediante el método volumétrico.

Repetirán el proceder anterior varias veces para los diferentes caudales sugeridos en la Tabla 2.

Tabla 2. Ejemplo de planilla de toma de datos

Q (l/s) h1 (m) h2 (m) h3 (m) h4 (m)

0.25

0.50

0.75

1.00

1.25

1.50

1.75

2.00

RESULTADOS

En el modelo físico Después de realizar la práctica, el grupo de estudiantes debe:

Graficar los valores de h versus Q para cada posición elegida de la regla de lectura de h, tal

como se muestra a continuación

Determinar los coeficientes de descarga, deducidos mediante regresión estadística, para

cada caso

Recomiende la distancia desde el vertedero a la que debiera instalarse la regla limnimétrica

de manera que no haya influencia de las corrientes ascendente, tal como se muestra en la

Figura 3.

Adoptar una distancia a la que debe estar la regla y recomendar el coeficiente de descarga

respectivo. Llenar la tabla ejemplo y graficar la relación h vs. Q adoptada en el modelo

Q (l/s) h1 (m) h2 (m) h3 (m) h4 (m)

0.25 0.003 0.002 0.002 0.002

0.5 0.004 0.004 0.003 0.003

0.75 0.006 0.005 0.004 0.003

1 0.007 0.006 0.005 0.004

1.25 0.008 0.007 0.006 0.005

1.5 0.009 0.008 0.006 0.005

1.75 0.010 0.008 0.007 0.006

2 0.011 0.009 0.008 0.007



Efectuar un análisis de la precisión de los datos recabados en laboratorio. Así mismo, comentar la precisión que tiene “el coeficiente de descarga” adoptado.

En el prototipo

Utilizar la escala geométrica αL de 1/20

Dimensionar el vertedero del prototipo a partir de los resultados anteriores

Construir la tabla h vs. Q para el prototipo

Graficar la relación anterior

Elaborar el informe acompañando conclusiones y recomendaciones académicas de la práctica realizada. Deben añadir fotos de las distintas facetas del trabajo, desde la construcción del vertedero, la instalación en el canal, las pruebas con los distintos caudales, los valores de h medidos y los caudales aforados.

UTILIZACIÓN DE LAS INSTALACIONES DEL LHUMSS

La asistencia al Laboratorio de Hidráulica, para realizar el trabajo, es obligatoria para todos los integrantes del grupo.

Los estudiantes deben llevar el llevar el vertedero elaborado, conforme dimensiones

Los estudiantes deben tener cuidado y esmero en la utilización de los equipos del LHUMSS. Cualquier ruptura o daños a los equipos serán pagados por ellos.

El día y la hora de la realización del ensayo debe ser coordinado con el responsable del LHUMSS.

Q (l/s) h1 (m)

0.25 0.351

0.5 0.558

0.75 0.731

1 0.886

1.25 1.028

1.5 1.160

1.75 1.286

2 1.406

Q (m3/s) h (m)

0.447 0.054

0.894 0.085

1.342 0.112

1.789 0.135

2.236 0.157

2.683 0.177

3.130 0.196

3.578 0.215



ASISTENCIA TÉCNICA

El docente de la materia estará disponible para apoyar en la realización del trabajo, así como resolver dudas conceptuales.

PRESENTACIÓN DEL TRABAJO

El total del trabajo no debiera extenderse más de ocho páginas incluyendo, croquis, planos y memorias de cálculo. Deben añadir las referencias literarias en el texto, si las citan en el documento. Una página aparte la constituirá la carátula. En ella debe figurar:

El tema del trabajo abordado

El número de grupo

Los integrantes del grupo con apellidos ordenados alfabéticamente. Debe conformarse dos columnas, una con alumnos del Plan Nuevo y la otra columna con alumnos del Plan Antiguo.




DISEÑO DEL MODELO FÍSICO DE UNA PRESA

PROPÓSITO

Que el alumno ejercite su “saber hacer” en la materia de modelos hidráulicos, a través del diseño de un

modelo físico que sea la representación cabal de una represa de la realidad.

OBJETIVO

Aplicando las leyes de la Semejanza Hidráulica y Análisis Dimensional, diseñar el modelo físico de una

represa real (prototipo) de manera que se pueda:

Obtener en el modelo la curva Altura – Caudal encima del vertedero (coeficiente de

descarga) que sea extrapolable a la realidad

Se estudie la efectividad de la disipación de energía del agua en el cuenco de

amortiguación localizado al pié de la presa

ALCANCE

El modelo físico será uno a lecho fijo (sin considerar transporte de sedimentos) y sin distorsión.

En el modelo físico se habrá de utilizar agua también, por lo que será un modelo froudiano.

Los datos del prototipo son: Altura de la presa

h (m)

Ancho del vertedero

B (m)

Caudal máximo Q

(m3/s)

Largo del

cuenco Lm (m)

Altura de grada

n (m)

Pendiente

(m/m)

7 7 21.56 12 1 0.005

La forma de la cresta del vertedero corresponde al tipo Ogee.

Escala del modelo a ser adoptada por el grupo: 1:25

METODOLOGÍA

Primera etapa:

Diseñar el modelo físico incluyendo su geometría, los caudales a circular y sabiendo que agua será el fluido

en la modelación.

El diseño del modelo deberá calzar dentro el canal didáctico del Laboratorio de Hidráulica cuyas dimensiones

son las siguientes:

Altura del canal

hm (m)

Ancho del canal

Bm (m)

Caudal máximo

Qm (l/s)

0.32 0.28 6.9

Segunda etapa:

Después de instalar la presa dentro del canal, su cuenco de amortiguación y grada, debe obturando la válvula

del sistema de recirculación de agua imponer diferentes caudales. Debe sucesivamente ir incrementando hasta

alcanzar el máximo que la bomba brinda.



Para cada caudal, registrar con el limnímetro los niveles de agua y profundidades en diferentes puntos del

modelo. Sin ser limitantes, debe llenarse una tabla con láminas de agua como la siguiente:

Cau

dal

(m

3/s

)

Lámina de agua

An

tes

pre

sa (

m)

So

bre

el

ver

ted

ero (

m)

Al

píe

de

la

pre

sa (

m)

Alt

ura

con

jug

ada

del

resa

lto

(m

)

Inic

io d

e la

gra

da

(m)

Des

pu

és d

el

cuen

co (

m)

Ob

serv

acio

nes

De similar manera, debe ser deducida una tabla para las velocidades

Cau

dal

(m

3/s

)

Velocidades de agua

An

tes

pre

sa

(m/s

)

So

bre

el

ver

ted

ero (

m/s

)

Al

píe

de

la

pre

sa (

m/s

)

Alt

ura

con

jug

ada

del

resa

lto

(m

/s)

Inic

io d

e la

gra

da

(m/s

)

Des

pu

és d

el

cuen

co (

m/s

)

Ob

serv

acio

nes

Tercera etapa

Con los valores recolectados elaborar un gráfico que muestre el caudal circulante por encima el vertedero de

excedencia versus el tirante de agua por encima del vertedero, inmediatamente aguas arriba de la presa, tal

como el mostrado.



Cuarta etapa – Resultado final

Con los valores deducidos del coeficiente de descarga, elaborar una tabla y gráfica de tirantes de agua encima

del vertedero versus caudal en el prototipo.

Tirante sobre el

vertedero (m) 0.05 0.1 0.5 1 1.5

Caudal evacuado

(m3/s)

PLAZO DE ENTREGA

El puntaje asignado al trabajo es parte de la nota del Primer Parcial.

El trabajo será realizado según los grupos conformados en clases.

El plazo de entrega se ajustará al calendario académico reformulado que el HCF señale.

FORMA DE PRESENTACIÓN

El trabajo será presentado en forma de un Informe conteniendo todos los aspectos detallados anteriormente:

fundamentos y criterios para la semejanza hidráulica, escalamiento de la rugosidad, diseño del modelo físico,

aspectos constructivos del modelo, registro de datos de láminas y velocidades para cada caudal circulante,

interpretación y análisis de los resultados.

Se debe acompañar el trabajo con un registro fotográfico de cada etapa ilustrando el funcionamiento del

modelo físico.

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010

Tira

nte

agu

a e

nci

ma

de

l ve

rte

de

ro

Caudal sobre el vertedero




MODELACIÓN FÍSICA DE UN VERTEDERO

DESCRIPCIÓN GENERAL Debe construirse en el Laboratorio de Hidráulica un modelo físico de un vertedero, que sea la réplica del vertedero de excedencias de una represa. El vertedero del modelo permitirá deducir el coeficiente de descarga del vertedero real.

𝑄 = 𝐶𝐷 𝑏 𝐻1.5 Donde b es el ancho del vertedero, Q el caudal evacuado, H la energía disponible que moviliza al flujo y CD el coeficiente de descarga.

PROCEDIMIENTO Utilizando el canal didáctico del LHUMSS, para un determinado caudal medirán la geometría del canal y los tirantes de agua instalados. Repetirán el proceder varias veces para diferentes caudales. En un gráfico Q versos H deducirán y mediante regresión estadística, deducirán el coeficiente CD del problema Utilizando la escala geométrica αL de 1/100 deducirán las dimensiones del prototipo correspondiente

UTILIZACIÓN DE LAS INSTALACIONES La asistencia al Laboratorio de Hidráulica para realizar el trabajo es obligatoria para todos los integrantes del grupo. Al efecto, deben llevar el vertedero torneado en madera. El vertedero puede ser tipo: Ogee, pared ancha, Cipoletti, perfil Creager, etc. El día y la hora de la realización del ensayo debe ser coordinado con el responsable del LHUMSS.

ASISTENCIA TÉCNICA



El total del trabajo no debiera extenderse más de ocho páginas incluyendo, croquis, planos y memorias de cálculo así como las referencias literarias utilizadas en el texto. Una página aparte la constituirá la carátula. En ella debe figurar:


El número de grupo




No se admitirá nombre de estudiantes que hayan añadido a mano sus apelativos CALIFICACIÓN

La nota destinada a la evaluación del experimento:

20% prolijidad en el acabado de los cascos de las naves 40 % Análisis dimensional del problema 40% Resultado y conclusiones

Habrá una evaluación oral del grupo defendiendo su práctica. PLAZO DE ENTREGA

La entrega del documento de la práctica debe efectuarse en forma personal al docente el día convenido. No se admitirá entregas diferidas ni postergaciones. NÚMERO DE PARTICIPANTES

El Proyecto podrá ser desarrollado por el grupo de estudiantes conformado en clases.




MODELACIÓN FÍSICA DE UN AQUIETADOR DE FLUJO DESCRIPCIÓN GENERAL En la edificación de modelos físicos en laboratorio, es necesario construir aquietadores de flujo de manera que el agua ingrese al modelo en forma calma, sin velocidades excesivas ni turbulencia. Entre otras opciones, se elige por modelar el aquietador siguiente de la Figura 1. Está compuesto por dos mallas interpuestas al flujo, entre medio de las cuales se ha dispuesto canicas de vidrio.

Fig. 1 Aquietador de flujo compuesto por dos mallas de alambre entre medio de las cuales se insertan canicas de cristal de un diámetro dado. El efecto de aquietación es notable.

A la izquierda se tiene el chorro de agua con alta turbulencia. A la derecha sale el flujo aquietado. Se observa que el nivel del agua es diferente del lado izquierdo al derecho.

SUSTENTO TEÓRICO

Ley de Darcy aplicada al flujo del agua en un medio poroso como las canicas

𝑞 = −𝐾 𝑑ℎ

𝑑𝑠

El caudal que sale del aquietador, de dimensión L en sentido del canal y b transversal al flujo,

𝑄 = −𝐾 𝐴 𝑑ℎ

𝑑𝑠

Integrando por cuadraturas el caudal que fluye:

∫ 𝑄 𝑑𝑧 = −𝐾 𝑏 ∫ ℎ 𝑑ℎ

ℎ=ℎ2

ℎ=ℎ1

𝑍=𝐿

𝑧=0

𝑄 = −𝐾 𝑏

2𝐿(ℎ2

2 − ℎ12)

𝑄 = 𝐾 𝑏

2𝐿(ℎ1

2 − ℎ22)

Q es el caudal que atraviesa el aquietador y es función del tirante de agua a la izquierda h1 y a la derecha h2. K

es la conductividad hidráulica del medio poroso.



El valor de la conductividad hidráulica del medio poroso del aquietador puede deducirse a partir de la propuesta de Kozeny - Carma:

𝐾 = 𝑎 𝑛3

(1 − 𝑛)2 𝐷2

Donde, n es la porosidad del medio (canicas) que puede ser deducida teóricamente porque el diámetro de las canicas es único; D es el diámetro de las canicas y a es un factor que debe ser deducido experimentalmente.

PROCEDIMIENTO Utilizar el canal didáctico del LHUMSS. Medir las dimensiones geométricas del canal. Imponer un caudal y medir los tirantes de agua instalados antes y después del aquietador. El canal del laboratorio dimensiones siguientes: Tabla 1. Dimensiones geométricas del canal del Laboratorio de Hidráulica

PARÁMETRO SÍMBOLO UNIDAD MODELO PROTOTIPO

Ancho del canal b m 0.285

Altura de la pared canal H m 0.36

Pendiente canal So 0.001

d) Una vez instalados las mallas metálicas, se llenará el espacio formado con las canicas de vidrio que se dispone en el laboratorio. Se medirá el largo del aquietador así como las filas de canicas así formadas.

e) Se dejará correr un caudal y se medirán las alturas de agua tanto aguas abajo como aguas arriba. La ubicación de las reglas debe ser a criterio de los estudiantes. Para las lecturas del nivel de agua se sugiere el empleo de los limnímetros que tiene el LHUMSS.

f) Determinar el caudal circulante por el canal mediante el método volumétrico.

Repetirán el proceder anterior varias veces para los diferentes caudales sugeridos en la Tabla 2 y para distintas pendientes del canal.

Tabla 2. Ejemplo de planilla de toma de datos

Longitud aquietador L (m): Diámetro canica D(m): Pendiente:

Q (l/s) h1 (m) h2 (m) Valoración de la aquietación obtenida

0.50

0.75

1.00

1.25

1.50

1.75

2.00



RESULTADOS

En el modelo físico Después de realizar la práctica, el grupo de estudiantes debe:

Graficar los valores de φ versus Q para cada experimento realizado, siendo

𝜑 =𝑏

2𝐿(ℎ1

2 − ℎ22)

Determinar el coeficiente a de la ecuación de Kozeny, deducido mediante regresión

estadística, para cada caso

Efectuar un análisis de propagación de errores por la medición de datos en laboratorio.

Estudiar su efecto sobre el valor de a.

En el prototipo

Utilizar la escala geométrica αL de 1/20

Dimensionar el aquietador del prototipo a partir de los resultados anteriores

Construir la tabla gradiente hidráulico vs. flux para el prototipo

Graficar la relación anterior Elaborar el informe acompañando conclusiones y recomendaciones académicas de la práctica realizada. Deben añadir fotos de las distintas facetas del trabajo, desde la construcción del aquietador, la instalación en el canal, las pruebas con los distintos caudales, los valores de h medidos y los caudales aforados.

UTILIZACIÓN DE LAS INSTALACIONES DEL LHUMSS

La asistencia al Laboratorio de Hidráulica, para realizar el trabajo, es obligatoria para todos los integrantes del grupo.

Los estudiantes deben llevar el llevar el vertedero elaborado, conforme dimensiones

Los estudiantes deben tener cuidado y esmero en la utilización de los equipos del LHUMSS. Cualquier ruptura o daños a los equipos serán pagados por ellos.

ASISTENCIA TÉCNICA



El total del trabajo no debiera extenderse más de ocho páginas incluyendo, croquis, planos y memorias de cálculo. Deben añadir las referencias literarias en el texto, si las citan en el documento. Una página aparte la constituirá la carátula. En ella debe figurar:


El número de grupo


guÍa de laboratoriolhumss.fcyt.umss.edu.bo/asesoramiento academico/practicas...debe construirse en...

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