Diseño y construcción de un sistema hidráulico, Monografías, Ensayos de Hidráulica
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Diseño y construcción de un sistema hidráulico, Monografías, Ensayos de Hidráulica

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El presente trabajo se realiza con el fin de elaborar un proyecto de hidraulica, tanto también dar a conocer los procedimientos a realizar
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UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR

FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA

ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA

“DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN CANAL HIDRÁULICO DE PENDIENTE VARIABLE PARA USO

DIDACTICO E INVESTIGACIÓN”

PRESENTADO POR:

CARLOS ALFREDO MARÍN CORDOVA

MÁXIMO JERÓNIMO MENJÍVAR LEONARDO

JOSÉ MIGUEL ZAVALETA LINARES

PARA OPTAR AL TITULO DE:

INGENIERO MECANICO

CIUDAD UNIVERSITARIA, NOVIEMBRE DE 2012.

UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR RECTOR :

ING. MARIO ROBERTO NIETO LOVO

SECRETARIA GENERAL :

DRA. ANA LETICIA ZAVALETA DE AMAYA

FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA DECANO :

ING. FRANCISCO ANTONIO ALARCÓN SANDOVAL SECRETARIO :

ING. JULIO ALBERTO PORTILLO

ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA

DIRECTOR :

ING. RIGOBERTO VELÁSQUEZ PAZ.

UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR

FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA

ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA

Trabajo de Graduación previo a la opción al Grado de:

INGENIERO MECANICO

Título :

“DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN CANAL

HIDRÁULICO DE PENDIENTE VARIABLE PARA USO DIDACTICO E INVESTIGACIÓN”

Presentado por :

CARLOS ALFREDO MARÍN CORDOVA

MÁXIMO JERÓNIMO MENJÍVAR LEONARDO

JOSÉ MIGUEL ZAVALETA LINARES

Trabajo de Graduación Aprobado por:

Docentes Directores :

ING. RIGOBERTO VELÁSQUEZ PAZ

ING. FRANCISCO ALFREDO DE LEON TORRES

San Salvador, Noviembre de 2012.

Trabajo de Graduación Aprobado por:

Docentes Directores :

ING. RIGOBERTO VELÁSQUEZ PAZ

ING. FRANCISCO ALFREDO DE LEON TORRES

AGRADECIMIENTOS

Quiero agradecer al creador por haberme brindado, el vivir y disfrutar de cada día,

la sabiduría y sobre todo la perseverancia para poder culminar esta etapa de mi

vida.

A mi familia, por haberme brindado amor y apoyo incondicional, por animarme en

los momentos más difíciles de mi carrera.

A mi padre, Juan Francisco Marín, por ser el apoyo más grande durante mi

educación universitaria, ya que sin él no hubiera logrado mis metas y sueños.

A mi Madre, Graciela Del Carmen Marín, por darme su apoyo incondicional, y por

haber sido paciente conmigo cuando más lo necesite.

A mis tíos, David Ernesto Marín, Dilcia Marín, Margarita Marín, René Marín, René

Navarrete, ya que me brindaron un cálido ambiente familiar a lo largo de toda mi

vida, aconsejaron, y me permitieron ser una persona de bien.

A mis hermanos, Rafael Córdova, María Córdova, y en especial a Carolina Marín,

por ser el ejemplo de hermana mayor.

A mis asesores, Ing. Rigoberto Velásquez Paz, Ing. Francisco De León, por su

gran apoyo y motivación para la culminación de nuestros estudios profesionales y

para la culminación de esta tesis.

A los miembros de la Unidad Productiva Metal Mecánica, Ing. Mauricio Polanco,

Arq. Juan Bautista, Julio Quintanilla, Rafael Peralta, y al Lic. Edgardo Méndez

(Q.D.E.P.), por enseñarnos esa experiencia de pasar del papel a la realización del

Diseño.

Al ingeniero y amigo William Martínez, por compartirnos conocimiento, que fue tan

valioso e importante para la culminación de este trabajo.

A nuestro querido amigo Ing. Frank Rudy Alberto, por su incondicional apoyo en la

realización de este trabajo de graduación y esta etapa tan importante de mi vida,

por compartir momentos a lo largo de la carrera, gracias por apoyarnos.

A mis compañeros de tesis, Máximo Menjivar, José Miguel Zavaleta, por tenernos

paciencia muta, y colaborarnos unos a los otros para la culminación de este

trabajo de graduación.

En especial a todos mis amigos y amigos de la ASEIM, Ernesto Revelo, Arnulfo

Andrade, Ricardo Sánchez, Alfredo Portillo, Esmeralda García, Marcela Soto,

Mirna Batres, A mis amigos de toda la vida, Karen Flores, Francis Gaspar, Lino

Martínez,con quienes compartí momentos que nunca olvidare y que ayudaron a

llegar a esta meta.

A todos aquellos familiares y amigos que no recordé al momento que de escribir

esto. Ustedes saben quiénes son.

A todos ellos muchas gracias.

Carlos Alfredo Marín Córdova.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo tiene una especial dedicatoria a mi familia, que siempre me ha

alentado a continuar adelante; a mis amigos de la universidad, en especial al Ing y

amigo Frank Rudy Alberto Rivera, por su singular aporte en esta investigación; a

los asesores de este trabajo de graduación Francisco Alfredo De León y Rigoberto

Velásquez Paz, porque toda idea necesita un guía para concretarla de la mejor

manera; a la universidad, cuyas puertas me abrió y la convertí en mi hogar,

dándome la oportunidad de formarme profesionalmente con calidad y sensibilidad.

Máximo Jerónimo Menjívar Leonardo

AGRADECIMIENTOS

A Dios todo poderoso por proveerme de paciencia, sabiduría, conocimiento,

fortaleza y de mucha perseverancia, que a lo largo de toda mi vida he necesitado,

gracias por estar siempre con nosotros guiándonos en todas las formas posibles,

pues sin tu ayuda hubiese sido difícil la culminación de este logro tan importante

en mi vida. GRACIAS.

A la persona que más admiro y respeto, mi abuelo José Leonel Zavaleta, pues

gracias a su apoyo incondicional he sido capaz de culminar tan grande logro,

gracias por darme la mano a lo largo de toda mi carrera universitaria, gracias por

enseñarme los valores de responsabilidad, respeto y humildad que tanto me han

sido útiles, gracias por darme ánimos de seguir adelante y nunca rendirme, gracias

por creer en mí y apoyarme siempre.

A mi abuela, María Esther gracias por estar siempre a mi lado apoyándome de

todas las formas posibles, gracias por tan grande y valiosa ayuda a lo largo de mi

vida, ella ha sido un pilar fundamental para completar uno de mis grandes

sueños, gracias por creer en mí.

A mi querida bisabuela, que gracias a Dios tengo el privilegio de tenerla conmigo

muchas gracias por darme su incondicional apoyo.

A mi papá por haber sido uno de los principales motores para conseguir tan

grande e importante logro, gracias por estar a mi lado independientemente las

circunstancias, gracias por haberme regalado un poco de su conocimiento y

sabiduría, gracias por haberme presionado tanto a lo largo de mi vida, pues

gracias a él, comenzó toda mi pasión por la mecánica.

A mi madre Berena Linares, gracias por toda su ayuda a lo largo de mi carrera

universitaria, gracias por darme apoyo absoluto en toda mi vida.

A todos mis hermanos y hermanas: Erika Patricia, Christian, Javier, Sophia, Diego

y Gerardo, a mis primos Eliza, Luis, Kevin, Cesar, Fernan, Kenneth, a mis queridos

sobrinitos, José Manuel y Francisco Eduardo, a todos ellos gracias por estar

conmigo en las buenas y en las malas, he tratado de ser un ejemplo para todos

ellos, y espero que sigan su propio camino, y que se conviertan en personas de

bien en el futuro, pues insisto nuevamente con mi frase “si yo pude terminar mi

carrera, porque ustedes no van a poder”.

A mis queridos Tíos, Delmy (Memi), Leo, Jaime, Daniel, Carlos, Mauricio, gracia

por estar siempre pendiente de mi, a lo largo de mi carrera, gracias por darme

alientos de seguir adelante y cumplir uno de mis sueños, de todos especialmente

a mi tía Memi, gracias por estar siempre pendiente de mi y brindarme de su ayuda

en los momentos más difíciles de mi carrera. Muchas gracias.

A mi amiga y ahora Ing. Ana Marcella Rodríguez Soto, gracias por brindarme su

invaluable amistad y apoyo a lo largo de los últimos y más importantes años de mi

carrera universitaria, gracias por ser un ejemplo a seguir, gracias por todo el

apoyo, ayuda y confianza que me ha dado todos estoy años.

A mi amigo y ahora Ing. Frank Rudy Alberto Rivera Castro, gracias por toda su

ayuda incondicional en el transcurso de mi carrera universitaria y desarrollo del

trabajo de graduación, gracias por tanto esfuerzo y dedicación, mis compañeros y

especialmente yo te damos las gracias.

A mis amigos y ahora Ing. Napoleón Sandoval, Ing. Ricardo Urrutia, Ing. Mario

Monrroy gracias por compartir su conocimiento, y compartir grandes momentos

durante el desarrollo de mi carrera, Gracias.

A mis amigos y compañeros Arnulfo Andrade, Revelo Reyes, Ricardo Sánchez, y

demás compañeros por contribuir a la construcción del equipo, gracias por aportar

ese granito de arena, pues nos ha sido de gran ayuda, muchas gracias.

A los compañeros de la ASEIM con los cuales hemos compartido gratos

momentos, gracias por poner a la disposición herramientas muy útiles para el

desarrollo estudiantil especialmente para el progreso de la carrera de Ing.

Mecánica.

A todos los trabajadores de la Unidad Productiva de la Universidad de El Salvador,

al Ing. Mauricio Polanco, Lic. Méndez (Q.E.P.D), Arq. Juan Bautista, Don Julio y

Don Peralta, gracias al aporte de su conocimiento, habilidades y experiencias,

hemos podido concluir satisfactoriamente la construcción del equipo. Muchas

gracias.

A mis Asesores directores, Ing. Rigoberto Velásquez Paz, Ing. Francisco De León

por ayudarnos y facilitarnos todos sus conocimientos y experiencia a lo largo del

proyecto de graduación.

A mis compañeros del Trabajo de graduación Carlos Alfredo Marín y Máximo

Jerónimo, gracias por tener paciencia durante todo el desarrollo y construcción del

equipo.

Este triunfo no es solo mío, es de toda mi familia, gracias por inculcarme el valor

de la perseverancia y ayudarme a completar uno de mis tan anhelados

sueños, ser Ing. Mecánico.

A todos ellos nuevamente, muchas gracias.

“Si una persona es perseverante, aunque sea dura de entendimiento, se

hará inteligente; y aunque sea débil se transformará en fuerte”

Leonardo Da Vinci.

.

José Miguel Zavaleta Linares.

CONTENIDO

INTRODUCCION .................................................................................................................. 1

1FUNDAMENTOS DE FLUJO DE FLUIDOS EN CANALES. ........................................ 2

1.1PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS. ..................................................................... 2 1.1.1 DENSIDAD ESPECÍFICA O ABSOLUTA. .......................................................... 2 1.1.2 PESO ESPECÍFICO. .......................................................................................... 2 1.1.3 VOLUMEN ESPECÍFICO. .................................................................................. 3 1.1.4 VISCOSIDAD. ..................................................................................................... 3 1.1.5 TENSION SUPERFICIAL. .................................................................................. 3

1.2ECUACIONES FUNDAMENTALES DE LOS FLUIDOS. ...................................... 5 1.2.1 ECUACION DE CONTINUIDAD. ........................................................................ 6 1.2.2 FUERZAS QUE ACTUAN SOBRE UN FLUIDO. .............................................. 6 1.2.3 ENERGIAS PRESENTES EN UN FLUIDO INCOMPRESIBLE. ....................... 7

A. ENERGIA POTENCIAL GEODESICA. ............................................................... 7 B. ENERGIA DE PRESION. ................................................................................... 8 C. ENERGIA CINETICA .......................................................................................... 9

1.2.4 ECUACION DE BERNOULLI GENERALIZADA. ................................................ 9

2TIPOS DE FLUJO EN CANALES HIDRAULICOS. .................................................... 11

2.1PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE LOS CANALES. ..................................... 11 2.1.1 DESCRIPCION GENERAL DE LOS CANALES HIDRAULICOS. .................... 11 2.1.2 TIPOS DE FLUJO EN CANALES ABIERTOS. ................................................. 12 2.1.3 FLUJO PERMANENTE Y FLUJO NO PERMANENTE .................................... 12

2.1.3.1 FLUJO UNIFORME Y FLUJO VARIADO. ................................................. 13 2.1.4 ESTADOS DE FLUJO. .................................................................................... 15 2.1.5 CLASES DE CANALES ABIERTOS: ................................................................ 16

2.2FLUJO EN CANALES ABIERTOS Y SUS PROPIEDADES. .............................. 17 2.2.1 GEOMETRIA DE UN CANAL. .......................................................................... 17 2.2.2 ELEMENTOS GEOMETRICOS DE UNA SECCION DE CANAL. .................... 17 2.2.3 DISTRIBUCION DE VELOCIDADES EN UNA SECCION DE CANAL. ........... 21 2.2.4 DISTRIBUCION DE PRESION EN UNA SECCION DE CANAL. ..................... 23 2.2.5 EFECTO DE LA PENDIENTE EN LA DISTRIBUCION DE PRESIONES. ....... 25

2.3PRINCIPIOS DE ENERGIA Y MOMENTUM. ...................................................... 26 2.3.1 ENERGIA ESPECÍFICA. .................................................................................. 27 2.3.2 CRITERIO PARA EL ESTADO CRÍTICO DE FLUJO. ..................................... 29 2.3.3 FENOMENOS LOCALES. ................................................................................ 30 2.3.4 ENERGIA ESPECÍFICA A GASTO CONSTANTE. .......................................... 32

2.3.4.1 ENERGIA ESPECÍFICA, CONDICIONES CRÍTICAS SECCION RECTANGULAR. ..................................................................................................... 35

2.4FUERZA ESPECÍFICA. ....................................................................................... 36

2.5SALTO HIDRÁULICO. ......................................................................................... 40 2.5.1 SALTO HIDRAULICO EN UN CANAL RECTANGULAR. ................................ 40 2.5.2 TIPOS DE SALTO. ........................................................................................... 42 2.5.3 CARACTERISTICAS BASICAS DEL SALTO HIDRÁULICO. .......................... 43 2.5.4 EJEMPLOS DE RESALTO HIDRÁULICO. ....................................................... 46

2.6DESCARGA POR UNA COMPUERTA DE FONDO. .......................................... 48

2.7HERRAMIENTAS PARA EL ANALISIS DEL FLUJO UNIFORME. .................... 49 2.7.1 CARACTERISTICAS DEL FLUJO UNIFORME. .............................................. 49 2.7.2 EXPRESION DE LA VELOCIDAD EN FLUJO UNIFORME ............................ 52 2.7.3 ECUACION DE CHEZY .................................................................................... 53 2.7.4 ECUACION DE MANNING ............................................................................... 56 2.7.5 FACTORES QUE AFECTAN EL COEFICIENTE DE RUGOSIDAD DE MANNING. ................................................................................................................... 57

2.8DISEÑO DE CANALES CON FLUJO UINIFORME. ........................................... 60

2.9MATERIALES Y REVESTIMIENTOS NO EROSIONABLES. ............................. 60

2.10VELOCIDAD MINIMA PERMISIBLE. .................................................................. 60

2.11PENDIENTES DE CANAL. .................................................................................. 61

2.12BORDE LIBRE. .................................................................................................... 62

2.13SECCION HIDRAULICA ÓPTIMA. ...................................................................... 64

3FLUJO GRADUALMENTE VARIADO ........................................................................ 65

3.1SUPOSICIONES BÁSICAS. ................................................................................ 65 3.1.1 ECUACION DINAMICA DE FLUJO GRADUALMENTE VARIADO. ................. 67 3.1.2 CARACTERISTICA Y CLASIFICACION DE LOS PERFILES DE FLUJO........ 70 3.1.3 CLASIFICACION DE LOS PERFILES DE FLUJO. .......................................... 75

4MEDICION DE FLUJOS EN CANALES. .................................................................... 80

4.1FLUJO SOBRE VERTEDEROS. ......................................................................... 80 4.1.1 OBJETIVO DE LOS VERTEDEROS. ............................................................... 80 4.1.2 VERTEDEROS SEGÚN SU GEOMETRIA. ...................................................... 85

4.1.2.1 VERTEDEROS RECTANGULARES. ........................................................ 87 4.1.2.2 VERTEDERO TRIANGULAR. ................................................................... 93 4.1.2.3 VERTEDERO DE PARED GRUESA. ........................................................ 97

4.1.3 VACIAMIENTO DE UN DEPÓSITO POR UN VERTEDERO. .......................... 99 4.1.4 ALGUNAS CONDICIONES PARA INSTALACION Y OPERACIÓN DE VERTEDEROS. ......................................................................................................... 101

4.2TUBO DE PITOT. ............................................................................................... 102

4.3TUBO DE VENTURI. ......................................................................................... 103

5DISEÑO HIDRAULICO. ............................................................................................ 105

5.1GEOMETRIA DEL CANAL. .............................................................................. 105

5.2DISEÑO DE BORDE LIBRE. ............................................................................. 105

5.3DETERMINACION DE CARACTERISTICAS DE FLUJO Y FISICAS DEL CANAL. ......................................................................................................................... 106

5.3.1 DIMENSIÓN DEL CANAL. ............................................................................. 107

5.4DETEMINACION DE LA PENDIENTE CRÍTICA. .............................................. 110 5.4.1 ITERACIONES PARA PUNTOS DE PENDIENTE CRÍTICA .......................... 110 5.4.2 COMPROBACIÓN DE LA PROFUNDIDAD CRÍTICA. ................................... 111

5.5PROFUNDIDAD NORMAL. ............................................................................... 112

5.6INCLINACION DEL CANAL. ............................................................................. 115

5.7CALCULO DE PERDIDAS HIDRAULICAS EN EL CANAL. ............................ 116

5.8CÁLCULO DE POTENCIA DE LA BOMBA. ..................................................... 120

5.9SELECCIÓN DE LA BOMBA. ........................................................................... 120

5.10CALCULO DEL MOTOR. .................................................................................. 121

5.11DISEÑO DE TANQUES. .................................................................................... 122 5.11.1 TANQUE DE PRINCIPAL (TP). ................................................................. 122 5.11.2 TANQUE VOLUMÉTRICO (TV). ................................................................. 123 5.11.3 TANQUE DE ALMACENAMIENTO (TA). ................................................... 124

5.12MEDICION DE CAUDALES. ............................................................................. 124 5.12.1 VERTEDEROS. .......................................................................................... 125 5.12.2 VERTEDERO RECTANGULAR SIN CONTRACCION. .............................. 125 5.12.3 VERTEDERO RECTANGULAR CON CONTRACCION. ............................ 127 5.12.4 VERTEDEROS TRIANGULARES. ............................................................. 128 5.12.5 VERTEDEROS DE PARED GRUESA. ....................................................... 129

6DISEÑO MECÁNICO. ............................................................................................... 131

6.1PROPÓSITOS DE DISEÑO. .............................................................................. 131

6.2DETERMINACION DE LAS CARGAS SOBRE LA ESTRUCTURA. ................ 132

6.3CALCULO DEL TORNILLO DE INCLINACION. ............................................... 138 6.3.1 TORQUE PARA LEVANTAR LA CARGA. ..................................................... 140 6.3.2 TORQUE PARA BAJAR LA CARGA. ............................................................. 141 6.3.3 CÁLCULO DEL DIÁMETRO DE LA MANIVELA. ........................................... 141 6.3.4 CÁLCULO DEL MOTOR PARA EL TORNILLO REGULADOR DE INCLINACIÓN. .......................................................................................................... 142

6.4CÁLCULO DEL DIAMETRO DE TORNILLOS DEL SOPORTE DEL TANQUE PRINCIPAL. .................................................................................................................. 143

6.4.1 CÁLCULO DEL TORQUE DE APRIETE DE LOS TORNILLOS DEL TANQUE PRINCIPAL. ............................................................................................................... 147 6.4.2 CÁLCULO DE SOLDADURA A TOPE EN EL SOPORTE DEL TANQUE PRINCIPAL. ............................................................................................................... 147

6.5CÁLCULO DE SOPORTES DE INCLINACION DEL EQUIPO. ........................ 149

6.6DISEÑO DE LA ESTRUCTURA SOPORTE DEL TANQUE PRINCIPAL Y CANAL. ......................................................................................................................... 154

6.7CÁLCULO DE PANDEO DE LAS COLUMNAS DEL RIEL SOPORTE DE ACCESORIOS. ............................................................................................................. 156

6.8CÁLCULO DE LOS TORNILLOS DE LOS SOPORTES DE RIEL. .................. 160

7COSTO DEL EQUIPO. .............................................................................................. 161

8GUIAS DE USO, MANTENIMIENTO Y GUIAS DE LABORATORIOS DEL EQUIPO. 164

8.1GUIA DE USO Y MANTENIMIENTO DEL EQUIPO. ......................................... 164

8.2GUIAS DE LABORATORIOS. ........................................................................... 173 8.2.1.1 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ..................................................... 206

9CONCLUSIONES. ..................................................................................................... 216

10RECOMENDACIONES. ......................................................................................... 217

11BIBLIOGRAFIA. .................................................................................................... 218

12ANEXOS ................................................................................................................ 219

INDICE DE FIGURAS.

FIGURA. 1. FUERZAS DE COHESIÓN MOLECULAR EN UN LÍQUIDO ............................................. 4

FIGURA. 2. FENÓMENOS DEBIDOS A LA TENSIÓN SUPERFICIAL: (A) CONTACTO ENTRE AGUA Y

VIDRIO; (B) CONTACTO ENTRE MERCURIO VIDRIO; (C) ELEVACIÓN CAPILAR. ...................... 4

FIGURA. 3. UN VOLUMEN V DE UN FLUIDO A UNA PRESIÓN P TIENE UNA ENERGÍA DE PRESIÓN

IGUAL A PV, O SEA IGUAL A LA FUERZA PA QUE EJERCE SOBRE EL FLUIDO MULTIPLICADO

POR EL CAMINO RECORRIDO POR X. ................................................................................. 8

FIGURA. 4. TEOREMA DE BERNOULLI. .................................................................................. 10

FIGURA. 5. COMPARACIÓN ENTRE FLUJO EN TUBERÍAS Y FLUJO EN CANALES ABIERTOS. ........ 11

FIGURA. 6. DIFERENTES TIPOS DE FLUJO EN CANALES ABIERTOS F.G.V= FLUJO

GRADUALMENTE VARIADO. F.R.V= FLUJO RÁPIDAMENTE VARIADO. .................................. 14

FIGURA. 7. PARÁMETROS DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL. ..................................................... 20

FIGURA. 8. ELEMENTOS GEOMÉTRICOS DE UNA SECCIÓN CIRCULAR. .................................... 21

FIGURA. 9 DISTRIBUCIÓN DE VELOCIDADES EN UN CANAL RECTANGULAR. .............................. 22

FIGURA. 10. CURVAS COMUNES DE IGUAL VELOCIDAD EN DIFERENTES SECCIONES DE CANAL.

..................................................................................................................................... 22

FIGURA. 11. EFECTO DE LA RUGOSIDAD EN LA DISTRIBUCIÓN DE VELOCIDADES EN UN CANAL

ABIERTO. ....................................................................................................................... 23

FIGURA. 12. DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES EN CANALES RECTOS Y CURVOS CON PENDIENTES

BAJAS U HORIZONTALES EN LA SECCIÓN BAJO CONSIDERACIÓN, H = ALTURA PIEZOMÉTRICA,

H1 = ALTURA HIDROSTÁTICA; Y C = CORRECCIÓN DE ALTURA DE PRESIÓN POR CURVATURA.

A) FLUJO PARALELO, B) FLUJO CONVEXO, C) FLUJO CÓNCAVO. ..................................... 24

FIGURA. 13. DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES EN UN FLUJO PARALELO EN CANALES DE

PENDIENTE ALTA............................................................................................................ 26

FIGURA. 14. ENERGÍA TOTAL EN UNA SECCIÓN DE CANAL. .................................................... 27

FIGURA. 15. INTERPRETACIÓN GRAFICA DE LA ENERGÍA ESPECIFICA. ................................... 28

FIGURA. 16. CURVA DE ENERGÍA ESPECIFICA. ...................................................................... 28

FIGURA. 17. CAÍDA LIBRE INTERPRETADA MEDIANTE UNA CURVA DE ENERGÍA ESPECIFICA. ... 30

FIGURA. 18. RESALTO HIDRÁULICO INTERPRETADO MEDIANTE LAS CURVAS DE ENERGÍA

ESPECIFICA Y FUERZA ESPECIFICA. ................................................................................ 31

FIGURA. 19. GRAFICO DE LA ENERGÍA ESPECÍFICA A GASTO CONSTANTE. (CURVA E – Y). ..... 32

FIGURA. 20. FIGURA GENERAL DE UNA SECCIÓN DE CANAL CUALQUIERA.. ............................ 33

FIGURA. 21. DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ESPECÍFICA EN UN CANAL RECTANGULAR. .......... 36

FIGURA. 22. GRÁFICA PARA LA DEDUCCIÓN DE LA ECUACIÓN DE LA FUERZA ESPECIFICA. ...... 37

FIGURA. 23. FUERZA ESPECÍFICA. ....................................................................................... 39

FIGURA. 24. SALTO HIDRÁULICO. ........................................................................................ 40

FIGURA. 25. RELACIÓN ENTRE F1 Y Y2 / Y1 PARA UN RESALTO HIDRÁULICO EN UN CANAL

RECTANGULAR HORIZONTAL........................................................................................... 41

FIGURA. 26. SALTO ONDULANTE. ......................................................................................... 42

FIGURA. 27. SALTO DÉBIL. ................................................................................................... 42

FIGURA. 28. SALTO OSCILANTE. .......................................................................................... 42

FIGURA. 29. SALTO ESTABLE. .............................................................................................. 43

FIGURA. 30. SALTO FUERTE. ................................................................................................ 43

FIGURA. 31. LONGITUD EN TÉRMINOS DE LA PROFUNDIDAD Y2 DE RESALTOS EN CANALES

HORIZONTALES (CON BASE EN LOS DATOS Y RECOMENDACIONES DEL U.S BUREAU OF

RECLAMATION). ............................................................................................................. 45

FIGURA. 32. EJEMPLO DE RESALTO HIDRÁULICO CAÍDA RÁPIDA ............................................. 47

FIGURA. 33. SALTO HIDRÁULICO LIBRE. ................................................................................ 47

FIGURA. 34. SALTO HIDRÁULICO AHOGADO. .......................................................................... 47

FIGURA. 35. DESCARGA POR UNA COMPUERTA DE FONDO. ................................................... 48

FIGURA. 36. ESTABLECIMIENTO DE FLUJO UNIFORME EN UN CANAL LARGO. ........................... 51

FIGURA. 37. DEDUCCIÓN DE LA ECUACIÓN DE CHEZY. ........................................................... 54

FIGURA. 38. BORDE LIBRE Y ALTURA DE LAS BANCAS RECOMENDADOS PARA CANALES

REVESTIDOS (U.S. BUREAU OF RECLAMATION.) ............................................................. 63

FIGURA. 39. DEDUCCIÓN DE LA ECUACIÓN DE FLUJO GRADUALMENTE VARIADO. .................... 68

FIGURA. 40. CLASIFICACIÓN DE LOS PERFILES DE FLUJO EN FLUJO GRADUALMENTE VARIADO.

..................................................................................................................................... 73

FIGURA. 41. PUNTOS TEÓRICOS DE INFLEXIÓN EN PERFILES DE FLUJO. .................................. 75

FIGURA. 42 EJEMPLOS DE PERFILES DE FLUJO. .................................................................... 77

FIGURA. 43. VERTEDEROS DE PARED DELGADA(A) Y VERTEDERO DE PARED GRUESA (B). ...... 80

FIGURA. 44. VERTEDERO LIBRE(A) Y VERTEDERO SUMERGIDO (B). ....................................... 81

FIGURA. 45. DIFERENTES TIPOS DE VERTEDEROS SEGÚN SU FORMA GEOMÉTRICA. ............... 81

FIGURA. 46 VERTEDEROS CON INCLINACIÓN CON RESPECTO A LA CORRIENTE. (A) VERTEDERO

NORMAL. (B) INCLINADO, (C) QUEBRADO, (D) CURVILÍNEO. ............................................... 82

FIGURA. 47. PRINCIPIOS BÁSICOS DE ANÁLISIS DE VERTEDEROS. .......................................... 83

FIGURA. 48. DIFERENTES CASOS DE NAPA DEPRIMIDA. ......................................................... 84

FIGURA. 49. VERTEDERO DE PARED DELGADA. ..................................................................... 85

FIGURA. 50. PERFILES DE REBOSE DE VERTEDEROS. ............................................................ 85

FIGURA. 51. ESQUEMA PARA LA REDUCCIÓN DE LA FORMULA DE DESCARGA EN UN VERTEDERO

RECTANGULAR. ............................................................................................................. 87

FIGURA. 52. GRAFICA PARA DETERMINAR EL VALOR DE ��������. .................................................. 92

FIGURA. 53. GRAFICA PARA DETERMINAR EL COEFICIENTE DE DESCARGA. ............................. 93

FIGURA. 54. ANÁLISIS DEL VERTEDERO TRIANGULAR. ............................................................ 94

FIGURA. 55. GRAFICA PARA DETERMINAR EL VALOR DEL COEFICIENTE DE DESCARGA PARA UN

VERTEDERO TRIANGULAR. ............................................................................................. 96

FIGURA. 56. DISTINTOS TIPOS DE VERTEDEROS DE PARED GRUESA REGULARMENTE

UTILIZADOS COMO ESTRUCTURAS DE CONTROL. ............................................................. 97

FIGURA. 57. PERFIL CARACTERÍSTICO DE UN VERTEDERO DE PARED GRUESA. ....................... 98

FIGURA. 58. VACIADO DE UN DEPÓSITO POR MEDIO DE UN VERTEDERO. ................................ 99

FIGURA. 59. DISTANCIAS MÍNIMAS DE REFERENCIA PARA INSTALAR UN VERTEDERO

RECTANGULAR CON CONTRACCIÓN.. ............................................................................ 101

FIGURA. 60. TUBO DE PITOT Y LÍNEAS DE CORRIENTE DEL MISMO, ESTE INSTRUMENTO MIDE LA

PRESIÓN TOTAL O PRESIÓN DE ESTANCAMIENTO. .......................................................... 103

FIGURA. 61. VENTURI CONECTADO A MANÓMETRO DIFERENCIAL. EL VENTURI SIRVE PARA

MEDIR CAUDALES CON GRAN PRECISIÓN Y POCAS PERDIDAS. ........................................ 104

FIGURA. 62. REPRESENTACIÓN DEL BORDE LIBRE. .............................................................. 106

.FIGURA. 63. CURVAS DE PENDIENTE CRÍTICA Y CURVA DE DESCARGA LÍMITE. ..................... 114

FIGURA. 64. PENDIENTE DEL CANAL. ................................................................................. 115

FIGURA. 65 DIAGRAMA DE DISTRIBUCIÓN DE TUBERÍAS EN EL CANAL. .................................. 116

FIGURA. 66. VERTEDERO RECTANGULAR SIN CONTRACCIÓN. ............................................... 125

FIGURA. 67. VERTEDERO TRIANGULAR. .............................................................................. 128

FIGURA. 68. PERFIL CARACTERÍSTICO DE UN VERTEDERO DE CRESTA ANCHA. .................... 129

FIGURA. 69. DIAGRAMA GENERAL DEL CANAL HIDRÁULICO. ................................................. 135

FIGURA. 70. DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE DEL CANAL HIDRÁULICO. ..................................... 135

FIGURA. 71. TORQUE GENERADO EN LA VIGA, DEBIDO AL TANQUE PRINCIPAL. ..................... 136

FIGURA. 72. DISTRIBUCIÓN DE FUERZAS SOPORTE DE TANQUE DE CAPTACIÓN. ................... 144

FIGURA. 73. DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE DE LOS TORNILLOS SUJETOS A CARGAS

EXCÉNTRICAS. ............................................................................................................. 145

FIGURA. 74. MUESTRA DE LA SOLDADURA A TOPE DEL SOPORTE DEL TANQUE DE CAPTACIÓN.

................................................................................................................................... 148

FIGURA. 75. DISTRIBUCIÓN DE ESFUERZOS SOBRE LA SOLDADURA A TOPE. ......................... 148

FIGURA. 76. DISTRIBUCIÓN DE FUERZAS EN EL SOPORTE DE INCLINACIÓN DEL CANAL. ......... 150

FIGURA. 77. DIAGRAMA DE FUERZAS SOBRE LAS PLACAS LATERALES DEL SOPORTE BALANCÍN.

................................................................................................................................... 152

FIGURA. 78. DIAGRAMA EN UNA PLACA CON AGUJERO. ........................................................ 152

FIGURA. 79. DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE DE LA ESTRUCTURA SOPORTE DEL CANAL. .......... 154

FIGURA. 80. CORTE TRANSVERSAL DEL TUBO ESTRUCTURAL. .............................................. 155

FIGURA. 81. REPRESENTACIÓN DE LA UNIÓN DEL SOPORTE DEL RIEL CON CANAL. ............... 157

FIGURA. 82. ESQUEMA LONGITUDINAL Y TRANSVERSAL DEL SOPORTE DEL RIEL. .................. 158

INDICE DE TABLAS

TABLA 1. ELEMENTOS GEOMÉTRICOS DE SECCIONES DE CANAL. ............................................ 18 TABLA 2 VALORES PARA EL CÁLCULO DEL COEFICIENTE DE RUGOSIDAD. ................................ 59 TABLA 3. PENDIENTES LATERALES APROPIADAS PARA CANALES CONSTRUIDOS EN DIFERENTES

CLASES DE MATERIALES. ................................................................................................ 61 TABLA 4. SECCIONES HIDRÁULICAS OPTIMAS. ........................................................................ 65 TABLA 5. TIPOS DE PERFILES DE FLUJO EN CANALES PRISMÁTICOS. ....................................... 72 TABLA 6. COORDENADAS CARACTERÍSTICAS DE CHORRO LIBRE (NAPA P>H). ........................ 84 TABLA 7. COEFICIENTES DE DESCARGA, TÍPICOS PARA DISTINTOS VALORES DE Α. .................. 95 TABLA 8. FORMULA SIMPLIFICADA DE VERTEDEROS PARA DISTINTOS VALORES DE ÁNGULOS. . 95 TABLA 9. COEFICIENTES EN VERTEDEROS DE CRESTA ANCHA. ............................................... 98 TABLA 10. TABLA PARA FORMAR PENDIENTE CRITICA. ......................................................... 110 TABLA 11. TABLA DE COEFICIENTES DE PÉRDIDAS DE LOS ACCESORIOS- ............................. 118 TABLA 12. FORMULAS PARA CAUDAL REAL DE UN VERTEDERO TRIANGULAR CON DISTINTOS

ÁNGULOS. ................................................................................................................... 129 TABLA 13. COEFICIENTE DE VERTEDERO DE CRESTA ANCHA. ............................................... 130

1

INTRODUCCION

Desde hace varios siglos, el hombre ha tratado de solucionar diferentes tipos de

problemas que las sociedades han demandado, uno de ellos, fue trasladar una de

las sustancias más importantes que el hombre necesita “EL AGUA”, este vital

líquido es indispensable para la subsistencia de todas las personas y además es

uno de los componentes fundamentales del desarrollo de las mismas, los primeros

ingenieros tuvieron que encontrar una forma de llevar el vital líquido lo más cerca

de sus sembradíos, para poder aliviar en gran medida el inmenso problema del

riego de sus cultivos, y las demás utilidades que esta brinda, de todo esto emergen

los canales de transporte de agua, esta gran idea con el paso del tiempo se ha

adoptado para diversas funciones como por ejemplo evacuar el exceso de agua

generado por las lluvias(canaletas),ya que se utilizan para direccionar flujos.

En la actualidad, el desarrollo de este tipo de herramienta se ha orientado no solo

a lo antes mencionado sino que también se utiliza en los laboratorios para fines

didácticos e investigación en los cuales se pueden realizar distintos tipos de

experimentos, las ramas de la ciencia que están más involucradas son la

Ingeniería Mecánica, Civil y Naval.

El flujo en canales abiertos, ayuda en cierta forma a contrarrestar el problema de la

crisis energética mundial, la cual nos está obligando a buscar nuevas fuentes de

energía como por ejemplo el desarrollo de la energía de olas y las corrientes

marinas. Estos dispositivos colaboran en el desarrollo de nuevos prototipos los

cuales a pequeña escala se caracterizan y se ajustan antes de montar un

proyecto grande, así como la conducción de agua en mini y micro centrales

hidráulicas.

El desarrollo del proyecto tiene como meta contribuir y mejorar los aspectos

académicos y técnicos de los estudiantes que cursaran el área de mecánica de

fluidos, también para la experimentación,así como por ejemplo puedan realizarse,

en un futuro, prototipos para la generación de energía eléctrica a partir de la

energía que potencialmente se puede obtener del mar.

2

1 FUNDAMENTOS DE FLUJO DE FLUIDOS EN CANALES.

1.1 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS.

FLUIDO: es aquella sustancia que, debido a su poca cohesión intermolecular, carece de forma propia y adopta la forma del recipiente que lo contiene.

Los fluidos se clasifican en líquidos y gases.

1.1.1 DENSIDAD ESPECÍFICA O ABSOLUTA.

La densidad es la masa por unidad de volumen.

���� = ���� ����

Donde m: masa en kg, SI.

V: volumen, en m3, SI.

La densidad absoluta es función de la temperatura y de la presión1.

1.1.2 PESO ESPECÍFICO.

El peso específico es el peso por unidad de volumen.

���� = ���� ����

= ���� .���� ����

= ��������Donde W: peso en N, SI.

V: volumen en m3, SI.

El peso específico es función de la temperatura y de la presión aunque en los

líquidos no varía prácticamente con esta última.

1Las ecuaciones anteriores fueron tomadas del libro de “Mecánica de fluidos y Maquinas Hidráulicas”, Claudio Mataix, pág. 14 a 19.

3

1.1.3 VOLUMEN ESPECÍFICO.

En el Sistema Internacional el volumenespecífico es el reciproco de la

densidad absoluta.

���� = ���� ����

1.1.4 VISCOSIDAD.

Entre las moléculas de un fluido existen fuerzas moleculares que se denominan fuerzas de cohesión. Al desplazarse unas moléculas con relación a otras se produce a causa de ellas una fricción. Por otra parte, entre las moléculas de un fluido en contacto con un sólido y las moléculas del solido existen fuerzas moleculares que se denominan fuerzas de adherencia. El coeficiente de fricción interna del fluido se denomina viscosidad y se designa con la letra griega (nu) “η” La viscosidad, como cualquiera otra propiedad del fluido, depende del estado del fluido caracterizado por la presión y la temperatura.

1.1.5 TENSION SUPERFICIAL.

La tensión superficial es una fuerza que, como su nombre indica, produce efectos de tensión en la superficie de los líquidos, allí donde el fluido entra en contacto con otro fluido no miscible, particularmente un líquido con un gas o con un contorno solido (vasija, tubo, etc.). El origen de esta fuerza es la cohesión intermolecular y la fuerza de adhesión del fluido al sólido.

En la superficie libre de un líquido, que es por tanto la superficie de contacto entre dos fluidos, líquidos y aire la tensión superficial se manifiesta como si el líquido creara allí una fina membrana2. Ver figura 1.

2Mecánica de Fluidos y Maquinas Hidráulicas, Claudio Mataix, Segunda Edición, pág.28.

4

Figura. 1. Fuerzas de cohesión molecular en un líquido

La tensión superficial explica la formación de las gotas en un líquido. En un

líquido que se pulveriza las fuerzas de cohesión predominantes dirigidas

siempre hacia el interior tienden a la formación de superficies de área mínima,

originando asi fenómenos tales como el que ocurre cuando hay contacto entre

agua y vidrio cuando se forman efectos de capilaridad3, asi como lo muestra la

figura 2.

Figura. 2. Fenómenos debidos a la tensión superficial: (a) contacto entre agua y vidrio; (b) contacto entre mercurio vidrio; (c) elevación capilar.

3Mecánica de Fluidos y Maquinas Hidráulicas, Claudio Mataix, Segunda Edición, pág.29

5

1.2 ECUACIONES FUNDAMENTALES DE LOS FLUIDOS. Antes de establecer las ecuaciones fundamentales de los fluidos es conveniente distinguir los siguientes regímenes de corriente:

a) Corriente permanente y corriente variable. Permanente: si en cualquier punto del espacio por donde circula el fluido no disminuyen con el tiempo las características de éste (aunque varíen de un punto a

otro), en particular su velocidad y su presión.

Variable: sucede lo contrario al permanente.

b) Corriente uniforme y no uniforme. Uniforme: si en cualquier sección transversal a la corriente la velocidad en puntos homólogos es igual en magnitud y dirección, aunque dentro de una misma sección

transversal varié de un punto a otro.

No uniforme: es caso contrario a la corriente no uniforme.

c) Corriente laminar y turbulenta. Laminar: si es perfectamente ordenada de manera que el fluido se mueve en láminas paralelas (si la corriente tiene lugar entre dos planos paralelos) o en capas

cilíndricas coaxiales.

Turbulenta: es caso contrario.

El camino que recorre una partícula de fluido en su movimiento se llama trayectoria de la partícula. En régimen permanente la trayectoria coincide con la llamada línea de corriente, que es la curva tangente a los vectores de velocidad en cada punto.

6

1.2.1 ECUACION DE CONTINUIDAD.

Las siguientes ecuaciones son para un fluido incompresible y un hilo de corriente.

�������� = ������������ = ����

Solo en fluido incompresible el caudal volumétrico que atraviesa una sección

transversal cualquiera de un filamento de corriente es constante; pero en todo

fluido tanto compresible como incompresible el caudal másico es constante.

La ecuación de continuidad para un tubo de corriente y un fluido incompresible se

obtiene integrando la ecuación anterior.

���� = ∫�������� = ∫ ������������ = ����

Donde

C: componente normal de la velocidad en cada elemento dA, que coincide

con la ecuación antes mencionada.

1.2.2 FUERZAS QUE ACTUAN SOBRE UN FLUIDO.

Las fuerzas que pueden intervenir en los problemas de mecánica de fluidos son:

1) La fuerza de gravedad.

2) La fuerza causada por la diferencia de presiones. (en fluido en reposo hay un

gradiente de presione y la fuerza que este gradiente origina esta en equilibrio con

la fuerza de la gravedad).

3) La fuerza de viscosidad. (nula en un fluido ideal).

4) La fuerza de la elasticidad.

5) La tensión superficial.

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