Hidráulica de canales

Laboratorio
de Hidráulica
Ing. David
Hernández Huéramo
Manual de prácticas
Hidráulica
de canales
5o semestre
Autores:
Guillermo Benjamín Pérez Morales
Jesús Alberto Rodríguez Castro
Jesús Martín Caballero Ulaje
Jorge Leonel Angel Hurtado
Juan Pablo Molina Aguilar
Colaboradores:
Alejandro Raúl Gutiérrez Obregón
Elizabeth Pauline Carreño Alvarado
Héctor Rivas Hernández
Rukmini Espinosa Díaz
UMSNH – Facultad de Ingeniería Civil
Laboratorio de Hidráulica “Ing. David Hernández Hueramo”
2. PÉRDIDAS POR FRICCIÓN EN CANALES
Objetivos

El alumno reforzará mediante la observación y medición el concepto de pérdida de
energía en conductos abiertos, que se presenta debida al paso de un determinado flujo
(rozamiento de las partículas líquidas) con las paredes del conducto. Adicionalmente,
comprenderá la utilidad y limitaciones del uso de los coeficientes de rugosidad, por medio
de su cálculo.
Aplicación
En la naturaleza al observar el paso de un caudal de agua por un cauce se puede apreciar
que el movimiento del flujo no es uniforme, ya que en la superficie libre del agua se forman
una serie de ondulaciones que a mayor velocidad del flujo tienden a incrementarse, siendo
obvio que a mayor turbulencia se tenga mayor desorden y golpeteo de las diferentes
partículas liquidas y por lo tanto se presenten mayores pérdidas de energía y que se puede
traducir en el hecho de que no se tenga la misma capacidad de conducción. De manera
similar si en un determinado conducto, como un canal, se incrementa la rugosidad de sus
paredes se tendrá una mayor pérdida de energía o menor capacidad de conducción a pesar
de tener la misma área de conducción, por lo que resulta importante definir las pérdidas de
energía por efecto de la fricción del agua con las paredes de los canales con la finalidad de
determinar la capacidad de conducción.
Definiciones, fórmulas y unidades a utilizar
La ecuación que define la pérdida de energía por fricción es la de Darcy-Weissbach, que
para una tubería queda definida por la velocidad del flujo V (m/s), la longitud de contacto
entre el flujo y el conducto donde se presenta la fricción L (m) y por una dimensión
característica del conducto que es el diámetro D (m):
2
 L  V 

hf  f  
 D  2 g 
1
2.1
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Hidráulica de canales 5to Semestre
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En el caso de un canal la dimensión característica es el radio hidráulico RH (m) y entonces
se tendría:
 L
hf  f 
 4RH
 V 2 


2
g



2.2
Sabiendo que:
D 2
RH 
A
D
 4   D  4RH
P
D
4
2.3
Si se toma en cuenta que la pendiente del gradiente hidráulico es la pérdida de energía entre
la longitud, es decir:
S
hf
L
2.4
Agrupando la aceleración de la gravedad g y el factor de fricción f, se llega a la siguiente
expresión:
2.5
V  C RH S
Siendo:
8g
f
C
2.6
Que es la ecuación de Chezy para flujo uniforme. La constante C ha sido definida de
distintas maneras según las condiciones de estudio y la aplicación. La más conocida es la
forma en que Robert Manning la relacionó con el coeficiente de rugosidad n, dando como
resultado la ecuación siguiente:
2
1
1
V  R H3 S 2
n
2.7
En las fórmulas anteriores se tiene que:
hf = Pérdida de energía por fricción (m.c.a.)
f = Factor de fricción (sin dimensiones)
g = aceleración de la gravedad (9.81 m/s2)
S = Pendiente del fondo de canal, que en régimen establecido es igual a la pendiente
del gradiente hidráulico (adimensional)
RH = Radio hidráulico (m).
2
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Procedimiento
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Previo a poner en funcionamiento el canal de flujo lento, en un tramo de longitud L,
donde se vaya a realizar la práctica, se deberá de medir el ancho del fondo del canal, la
altura del fondo a los hombros del canal y el ancho máximo del canal a la altura de los
hombros, con la finalidad de definir sus características geométricas, consignado sus
valores en la tabla 2.1.
Se pone a funcionar el canal y se deja que se estabilice con un determinado gasto, que
se mide por medio del vertedor triangular al final del canal y conforme a la fórmula
respectiva calcular posteriormente el gasto, consignado la carga sobre el vertedor y
gasto calculado en la tabla 2.1.
Se determina el tirante hidráulico con que está pasando el gasto, en cada uno de los
extremos del tramo de canal seleccionado, por medio de los limnímetros consignado los
valores en la tabla 2.1.
Conforme a las características del canal y el tirante promedio entre ambas secciones,
calcular el área hidráulica, el perímetro mojado y el radio hidráulico, consignando el
primero y el último en la tabla 2.1.
Calcular la velocidad media por continuidad, al dividir el gasto entre el área hidráulica y
consignar su valor en la tabla 2.1.
Tomando en cuenta que la pendiente del fondo del canal es de 0.0001, calcular el
coeficiente de rugosidad y las pérdidas de energía por fricción, consignando los valores
calculados en la tabla 2.1.
Se repite el ensayo a partir del paso número 2 para otros tres gastos diferentes y se
consignan sus resultados en la tabla 2.1.
Actividades
1.
2.
3.
Comparar los valores promedio de n y f obtenido en laboratorio con el propuesto por la
literatura (para la comparación utilice concreto acabado con llana de madera).
Graficar tirante promedio versus n, y n versus gasto.
Explicar por que son diferentes los valores n calculados con respecto a los
recomendados en la literatura especializada..
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TABLA 2.1
Características del tramo de canal.
Altura a los hombros: ___________ m
Ancho del fondo del canal: __________ m;
Ancho del canal a la altura de los hombros: __________ m;
Distancia entre las secciones 1 y 2: ___________ m.
Cálculo del coeficiente de rugosidad.
(1)
Nº de
ensayo
(2)
Carga en
vertedor
triangular
h
(3)
(4)
Gasto Tirante
Q
de agua
sección
1
(m3/s)
(m)
(m)
(5)
Tirante
de agua
sección
2
(6)
Tirante de
agua
promedio
(m)
(m)
(7)
(8)
Área
Perímetro
hidráulica
mojado
A
Pm
(m2)
(m)
(9)
(10)
(11)
Radio
Velocidad Factor
hidráulico
media
de
RH
V
fricción
(m)
(m/s)
f
(12)
Coef. de
rugosidad
calculado
(13)
Pérdida
de
energía
por
fricción
n
(m.c.a.)
1
2
3
4
Nombre del alumno:
Semestre:
Sección:
N° de equipo:
Matrícula:
.
Laboratorista:
.
4
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