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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA, CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICA
CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL
Laboratorio de Investigaciones Hidráulicas
TEMA DE LA PRÁCTICA: GASTO A TRAVÉS DE UNA COMPUERTA PLANA
OBJETIVO: Determinar el gasto que fluye a través de una compuerta hidráulica plana y su coeficiente de descarga.
AUTOR/AUTORES: - CADENA CHACON BRYAN DAVID
- CAILLAGUA CUICHAN OLGER ALEXANDER
- CALERO ORELLANA JOHN ALEJANDRO
- CALERO GALEAS CARMEN LOURDES
- CALLE LAICA LUIS ALFREDO
SEMESTRE/PARALELO: TERCER SEMESTRE – PARALELO 1
GRUPO N°: 1 SUBGRUPO Nº: 2
ASIGNATURA: HIDRÁULICA 1
DOCENTE: ING. JAIME GUTIÉRREZ
FECHA DE REALIZACIÓN: VIERNES 24 DE ENERO DE 2020
FECHA DE ENTREGA: LUNES 03 DE FEBRERO DE 2020
AYUDANTE DE DOCENCIA: SERGIO USHIÑA
Septiembre 2019/Marzo 2020 Quito - Ecuador
ÍNDICE:
1. INTRODUCCIÓN:
En nuestra formación como ingenieros civiles, y en la vida cotidiana intervienen diferentes disciplinas fundamentales tal es el caso de la mecánica de fluidos. En este sentido, los fluidos y específicamente el comportamiento de los mismos en diferentes estructuras hidráulicas, aplicando la mecánica aportan en gran magnitud el desarrollo de los seres humanos (Sumifluid, 2018).
El presente informe proporcionara datos experimentales para la obtención de coeficientes de descarga mediante una compuerta plana con descarga libre. Las compuertas en general son dispositivos hidráulicos que poseen varias utilidades. En lo que hoy es nuestro continente los primeros en usarlas fueron los indígenas en Mesoamérica a manera de obstrucción en canales (Alonzo, 2013).
En la práctica se evidenciará el flujo bajo una compuerta de acuerdo a condiciones dadas en el laboratorio, la sección transversal que posea la compuerta dará forma al espacio formado entre el fondo del canal y la parte inferior de esta; de acuerdo a esto la forma del flujo bajo la compuerta dependerá de la sección que posea la misma (Sumifluid, 2018).
La medición de los caudales constituye parte esencial para el control de análisis y operación de sistemas hidráulicos. El estudio hidrológico en un sistema de conducción como son los ríos y con la aplicación de una estructura hidráulica como es una compuerta plana, nos proporcionaría más control sobre el líquido fluyente por lo que este se emplea en medir el caudal que atraviesa en un canal, presa, esclusa, obra de derivación u obras hidráulicas de gran envergadura y a la vez regular las descarga producida lo que sería de utilidad para prevenir inundaciones (Sotelo, 1994).
En nuestra carrera una de las ramas que tiene es la hidráulica y esta será la ciencia en la que se base nuestra práctica, ya que en un futuro, los trabajos civiles serán de gran utilidad al momento de trabajar en canales y presas de ríos o en algún otro trabajo civil en el cual se necesite separar agua o algún otro liquido de fenómenos contaminantes el cual interferían con canales de agua que posteriormente vayan a terminar en las plantas de tratamiento de aguas y con ello para el consumo del ser humano.
2. OBJETIVOS:
2.1 OBJETIVO GENERAL:
- Determinar el gasto y coeficiente de descarga para un liquito que fluye mediante un conducto a través de una compuerta hidráulica plana.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
- Analizar el comportamiento del flujo de agua a través de una compuerta rectangular plana.
- Realizar la medición de caudal de una compuerta plana mediante el aforo volumétrico a diferentes alturas con carga de agua constante.
- Comparar los resultados obtenidos de manera práctica con resultados teóricos, para el cálculo del porcentaje de error obtenido en la práctica.
- Determinar los coeficientes experimentales de descarga y contracción de una compuerta plana mediante fórmulas que relacionan los caudales, velocidades y áreas respectivamente.
3. MARCO TEÓRICO:
Una compuerta es una placa móvil, plana o curva, que al moverse verticalmente permite graduar la altura del orificio que se va descubriendo en su parte inferior, controlando la descarga producida. De acuerdo con (Sotelo, 1994) , esta placa móvil permite graduar la altura del orificio y a la vez que controla la descarga producida.
El orificio que forma la compuerta se encuentra en el fondo de un canal y coincide, con el ancho de éste (Sánchez, 2018). Las características del flujo que atraviesa esta compuerta pueden analizarse mediante una red de flujo, tal y como se muestra en la siguiente figura.
Imagen 1. Red de flujo para una compuerta plan
Fuente: (Sotelo, 1994)
El gasto puede determinarse mediante la siguiente expresión:
Imagen 3. Coeficiente de gasto de una compuerta plana vertical según Cofré y Buchheister
Fuente: (Sotelo, 1994)
Mientras que Knapp propuso una ecuación para calcular el coeficiente de velocidad en compuertas con descarga libre, y es la siguiente:
Función de una compuerta plana:
Según (Cueva, 2016) las diferentes formas de las compuertas dependen de su aplicación, entonces, dependerá parcialmente del tamaño y forma de la abertura de la carga estática del espacio disponible, del mecanismo de apertura y condiciones particulares.
Entonces tenemos:
- Control del flujo de agua: Imagen 4 : Compuertas para el control de flujo
Fuente: (Cueva, 2016)
- Control de inundaciones: Imagen 4. Control de inundaciones Bulubulu
Fuente: (Cueva, 2016)
- Proyectos de irrigación: Imagen 5. Irrigación por compuertas
Fuente: (Cueva, 2016)
Imagen 6. Canal de Panamá
Fuente: (Cueva, 2016)
4.2 HERRAMIENTAS:
Tabla #2. Herramientas utilizadas en el desarrollo de la práctica.
Herramientas: Representación gráfica: Capacidad y apreciación:
Compuerta
Imagen 9. Compuerta plana
Realizado por: Grupo 1 S.G.2, enero (2020).
Capacidad: Superficie: a= 0.015 m b= 0.104 m
Tubo Pitot
Imagen 10. Tubo Pitot
Realizado por: Grupo 1 S.G.2.enero (2020)
Ex: +5s Apreciación: 0 .050 ml
Limnímetro
Imagen 11. Limnímetro
Realizado por: Grupo 1 S.G.2.enero (2020)
Capacidad: 200 mm Apreciación: ± 0.1 mm
Regla Metálica
I magen 12. Regla metálica
Realizado por: Grupo 1 S.G.2.enero (2020)
Capacidad: 600 mm Apreciación: ± 0.1 mm
Termómetro
Imagen 13. Termómetro
Realizado por: Grupo 1 S.G.2.enero (2020)
Capacidad: 100ºC Apreciación: ±1ºC
Probeta de Vidrio
Imagen 14. Probeta graduada
Realizado por: Grupo 1 S.G.2.enero (2020)
Capacidad: 1000 ml Apreciación: ±10 ml
Balde de aforo
Imagen 15. Balde de aforo
Realizado por: Grupo 1 S.G.2.enero (2020)
Capacidad: 20 L Apreciación: -
4.3 MATERIALES
Tabla #1. Equipo utilizado en el desarrollo de la práctica………………………… Índice de Tablas:
Materiales Representación gráfica Capacidad y apreciación.
Agua
Imagen 19. Agua
Realizado por: Grupo 1 S.G.2.enero(2020)
T= 16 ºC
ρ = 999.03 kg/m 3
Placa corta caudal
Imagen 20. Placa corta caudal
Realizado por: Grupo 1 S.G.2.enero(2020)
Capacidad: - Apreciación: -
Realizado por: Grupo 1 S.G.2.enero (2020)
5. METODOLOGÍA:...................................................................................................
Tabla #4. Metodología usada para realizar la práctica………………………….…..
• Situar el canal hidrodinámico de
tal modo que se encuentre totalmente horizontal, colocar y asegurar a conveniencia la compuerta plana en el canal, y fijar una abertura de la compuerta.
Realizado por: Grupo 1 S.G.2.enero (2020)
- Asentar las medidas necesarias tomadas de la configuración geométrica de la compuerta plana.
Realizado por: Grupo 1 S.G.2.enero (2020)
- Encender el sistema de bombeo y abrir la válvula para que ingrese agua al canal, esperar algunos minutos hasta obtener estabilidad en el flujo y medir las distancia
Tabla #5. Datos de la compuerta……………………..………………………….…..
tirantes generados en el canal, aguas arriba y aguas abajo.
Realizado por: Grupo 1 S.G.2.enero (2020)
- Realizar los respectivos aforos y tomar la temperatura del agua. Repetir el procedimiento para diferentes caudales.
Realizado por: Grupo 1 S.G.2.enero(2020) Realizado por: Grupo 1 S.G.2.enero (2020)
6. PRESENTACIÓN DE RESULTADOS Y CÁLCULOS TÍPICOS:
6.1 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS:
Tabla #5. Datos de la Compuerta Plana.
DIMENSIONES DE LA COMPUERTA PLANA Ancho de la Compuerta (m) 0. Temperatura (ºC) 16 Realizado por: GRUPO 1 S.G.2, enero 2020.
6.2 CÁLCULOS TÍPICOS:
Tabla #7. Cálculos desarrollados en la práctica…………..……………………..…..
- El Área del Orificio: Datos: Cálculo: b= 0.104 (m) (Ancho de la Compuerta) a= 0.015 (m) (Abertura de la Compuerta )
Ao= b * a Ao= 0.104 m * 0.015 m Ao= 1.56x10-3^ m 2
- Caudal: Datos: Cálculo: V = 3.360 (l) (Volumen 1) t = 1.465 (s) (Tiempo 1)
𝑸𝑸 = 1.4653.360 l 𝑠𝑠
𝑸𝑸 = 𝟐𝟐. 𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐 𝑽𝑽/𝒔𝒔
- Caudal Promedio: Datos: Cálculo: Q 1= 2.294 (l/s) (Caudal 1) Q 2= 2.246 (l/s) (Caudal 2) Q (^) 3= 2.000 (l/s) (Caudal 3)
𝑸𝑸𝑻𝑻𝒑𝒑𝑽𝑽𝑽𝑽𝑽𝑽𝒑𝒑𝑻𝑻𝑽𝑽 = 𝑸𝑸𝟏𝟏^ +^ 𝑸𝑸 𝟑𝟑𝟐𝟐^ +^ 𝑸𝑸𝟑𝟑
- Velocidad Real: Datos: Cálculo: H=V 2 /2g = 0.151 (m) (Altura piezométricas) g= 9.8 (m/s2) (Gravedad)
Datos: Cálculo:
g= 9.8 (m/s2) (Gravedad)
y1= 0.159 (m) (Tirante aguas arriba de la Compuerta)
Datos: Cálculo:
Ao= 1.56x10-^3 (m^2 ) (Área del orificio)
V (^) t= 1.765 (m/s) (Velocidad Teórica)
𝑸𝑸𝑻𝑻𝑽𝑽ó𝒑𝒑𝑻𝑻𝒓𝒓𝑽𝑽 = 𝑨𝑨𝑽𝑽 ∗ 𝐕𝐕𝒕𝒕 𝑸𝑸 (^) 𝑻𝑻𝑽𝑽ó𝒑𝒑𝑻𝑻𝒓𝒓𝑽𝑽 = 1.56 ∗ 10 −3^ ∗ 1.
𝑸𝑸𝑻𝑻𝒑𝒑𝑽𝑽𝑽𝑽𝑽𝑽𝒑𝒑𝑻𝑻𝑽𝑽 = 𝟐𝟐. 𝟕𝟕𝟕𝟕𝟑𝟑 ∗ 𝟏𝟏𝟏𝟏 −𝟑𝟑^ 𝑽𝑽
𝟑𝟑 𝒔𝒔 = 𝟐𝟐. 𝟕𝟕𝟕𝟕𝟑𝟑 𝑽𝑽/𝒔𝒔
Datos: Cálculo:
Q (^) promedio= 2.180 (l/s) (caudal promedio)
Q teórico= 2.753 (l/s) (caudal teórico)
𝒕𝒕𝑽𝑽ó𝒑𝒑𝑻𝑻𝒓𝒓𝑽𝑽
𝑪𝑪𝒑𝒑 = 2.180 2.753^ 𝑙𝑙𝑙𝑙//𝑠𝑠𝑠𝑠
𝑪𝑪𝒑𝒑 = 𝟏𝟏. 𝟕𝟕𝟐𝟐𝟐𝟐
- Coeficiente de Velocidad:
Datos: Cálculo:
a= 0.015 (m) (Abertura de la Compuerta )
y1= 0.159 (m) (Tirante aguas arriba de la Compuerta)
𝟏𝟏
abertura de la compuerta a = 0.015 m, se tiene un caudal real promedio Qr prom = 6.812 l/s, mientras que para una abertura de la compuerta a = 0.015 m, se tiene un caudal real promedio Qr prom = 2.180 l/s; quiere decir que el gasto que fluye por una compuerta plana será mayor, cuando la abertura (a) de ésta es mayor. (Calero Orellana John Alejandro). Los coeficientes encontrados son adimensionales ya que resultan de relacionar las velocidades, caudales y áreas tanto teóricas como reales; el coeficiente de descarga de una compuerta plana con descarga libre oscila alrededor de 0.6, el de velocidad tiende a ser uno y finalmente el coeficiente de contracción se obtiene al relacionar los coeficientes anteriores. En la práctica realizada el coeficiente de descarga más cercano al real es de 0.613 con una altura de 0.185(m) y, por otro lado, con una altura de 0,159(m) se encontró el coeficiente de velocidad con menor error equivalente a 0.964. (Calero Galeas Carmen Lourdes). Cabe decir que teniendo una abertura de la compuerta a= 0.015 m, tenemos un caudal Q= 2.294 l/s, y una velocidad real Vr= 1.702 m/s, con esto decimos que a una altura mayor, obtendremos un caudal y velocidad real mayor, de igual manera si cerramos la compuerta obtendremos una altura menor y por ende un caudal y velocidad real menor. (Calle Laica Luis Alfredo). Analizando los datos obtenidos en la práctica con respecto al coeficiente de descarga tenemos en el segundo aforo un coeficiente de Cd = 0,613; valor obtenido con los datos experimentales y comparado con el valor del coeficiente de descarga del ábaco, obtenido según la relación de y1/a que es Cd = 0,59; estos dos valores de coeficientes de descarga son similares, por lo que la práctica está correctamente realizada. (Caillagua Cuichan Olger Alexander). Los valores de los coeficientes de descarga, contracción y velocidad plasmados en ábacos o tablas son bastante similares a los obtenidos en esta práctica debido a que los valores inicialmente mencionados también fueron obtenidos mediante procesos experimentales. (Cadena Chacón Bryan David).
8. CONCLUSIONES:
Geométricamente hablando, se puede concluir que para una compuerta plana, el gasto que fluye a través de dicha compuerta será mayor cuando la abertura (a) de la compuerta es mayor; por el contrario si la abertura (a) de la compuerta es menor,
el gasto que fluye a través de la compuerta será menor; es decir que son directamente proporcionales entre sí. (Calero Orellana John Alejandro). La metodología usada para la realización dela practica fue correcta debido a que el error obtenido en el cálculo de los caudales y velocidades es igual a 0.29 y 0. por ciento respectivamente, los cuales son menores a uno, estando dentro del rango de error admisible (Calero Galeas Carmen Lourdes). Cabe concluir que mientras va aumentando la carga, va aumentando la velocidad, por lo cual sus caudales serán mayores al igual que su alcance máximo. Eso quiere decir que esto dependerá de la altura que tenga el agua dentro del canal. (Calle Laica Luis Alfredo). Realizando la comparación entre caudales reales y caudales teóricos obtenidos al realizar los distintos aforos para la compuerta de abertura “a”, se puede concluir que esta comparación presenta un error mínimo de medición ya sea por fallos en la toma de datos del volumen o en la toma de tiempos de aforo. (Caillagua Cuichan Olger Alexander). Cualquier superficie plana, como en este caso la compuerta van a soportar presiones que se la considera como la altura desde un punto dado a la superficie libre del líquido, entones es correcto decir que las fugas que se pueden presentar a través de la compuerta serian producidas también por estas fuerzas. (Cadena Chacón Bryan David).
9. RECOMENDACIONES
Se recomienda utilizar mínimo 3 cronómetros al momento de aforar el caudal, esto servirá para obtener valores más exactos de volumen y tiempo, por ende valores más exactos del caudal experimental. (Calero Orellana John Alejandro). Se recomienda ser exactos en el corte de flujo de agua en los aforos para un determinado tiempo, esto se puede conseguir colocando una tapa en la salida del tubo de agua o al retirar de manera rápida el recipiente; ya que el éxito de los aforos es cortar el flujo inmediatamente que se detiene el tiempo y así obtener un error mínimo en la práctica. (Calero Galeas Carmen Lourdes). Se debe mantener un nivel de agua constante es decir que el caudal que pasa por el canal sea constante para que se pueda determinar el volumen, el caudal, la velocidad de manera correcta, esto se logra moviendo la llave de la bomba del
