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Orificos, compuertas y vertedores - Hidraulica Basica

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Hecho por Marco Antonio Vilchis Dominguillo, estudiante del Instituto Tecnologico de Chilpancingo, Mexico.

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Orificos, compuertas y vertedores - Hidraulica Basica

  1. 1. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CHILPANCINGO HIDRÁULICA BÁSICA ORIFICIOS, COMPUERTAS Y VERTEDORES Alumno: Marco Antonio Vilchis Dominguillo No. De lista: 28 No. De control: 12520297
  2. 2. INDICE: Clic en los vínculos
  3. 3. Clic en los botones
  4. 4. DEFINICIÓN Son perforaciones, generalmente de forma regular y perímetro cerrado, colocado por debajo de la superficie, en tanques, canales o tuberías. Considerando un recipiente lleno de agua al cual se le realiza un orifico en una de sus paredes por debajo del nivel del agua, el fluido saldrá con una determinada fuerza por dicho orificio.
  5. 5. USOS La utilidad del orificio es descargar el caudal cuya magnitud se desea calcular, por lo cual se supone que el nivel del fluido en el recipiente permanece constante por efecto de la entrada de un caudal idéntico al que sale, o bien porque posea un volumen muy grande.
  6. 6. CLASIFICACIÓN DE ORIFICIOS La clasificación puede realizarse de acuerdo a su fusión: • Descargado libre • Ahogados parcialmente De acuerdo a su forma • Circular • Cuadrada • Rectangular • Etc.
  7. 7. ORIFICIOS CON DESCARGA LIBRE Son aquellos en los que el nivel del liquido de la descarga se encuentre por debajo del orificio.
  8. 8. ORIFICIOS SUMERGIDOS TOTALMENTE Son aquellos en los que el nivel de liquido de la descarga se encuentra por encima y por debajo del orificio, pueden ser de dimensiones fijas o ajustables.
  9. 9. ORIFICIOS SUMERGIDOS PARCIALMENTE Son orificios sumergidos ajustables en los que el área de descarga puede modificarse a voluntad, con el fin de acomodar el área a los distintos caudales probables y necesarios.
  10. 10. ORIFICIOS DE PARED DELGADA En estos orificios el agua al salir tiene contacto con un solo punto y lo llena completamente. La vena liquida sufre una contracción, que llega a ser extrema en la parte que se denomina vena o sección contraída.
  11. 11. ORIFICIOS DE PARED GRUESA En estos orificios el agua al salir tiene contacto en mas de un punto, se le puede dar forma abocinada para que al salir el agua se forme un chorro igual al dímetro del orificio.
  12. 12. ORIFICIOS DE TUBO La salida del orifico esta conectada a un tubo corto, es decir, el liquido no sale a la superficie libremente inmediatamente, sino a un tubo de pequeña longitud aproximadamente 2 0 3 veces el diámetro del orificio.
  13. 13. PRINCIPIOS HIDRÁULICOS EN ORIFICIOS El gasto “Q” Para el calculo del gasto necesitas: • Área del orifico • Velocidad • Energía del flujo • Coeficiente de contracción • Coeficiente de velocidad • Coeficiente de descarga
  14. 14. COEFICIENTE DE CONTRACCIÓN Es la relación que existe entre el área de la sección transversal de la vena contracta y el área de la sección del orifico. 𝐶𝑐 = 𝐴 𝑐 𝐴 𝐶𝑐 = 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝐴 𝑐 = 𝑎𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑎𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑣𝑒𝑛𝑎 𝐴 = 𝑎𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑜𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑖𝑜
  15. 15. COEFICIENTE DE VELOCIDAD Es la relación que existe entre la velocidad real y la velocidad teórica. 𝐶𝑣 = 𝑉𝑟 𝑉𝑡 −−−−−− −𝐶𝑣 = 𝑉𝑟 2𝑔𝐻 𝐶𝑣 = 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑉𝑟 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑉𝑡 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑉𝑓 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑉𝑓 = 2𝑔𝐻 −−− − = 𝑉𝑡
  16. 16. COEFICIENTE DE DESCARGA Es la relación que existe entre el gasto real y la velocidad teórica. Es el producto generado al relacionar el coeficiente de contracción con el coeficiente de velocidad 𝐶 𝑑 = 𝑄 𝑟 𝐴 2𝑔𝐻 𝐶 𝑑 = 𝐶𝑐 𝐶𝑣 𝐶 𝑑 = 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝐶 𝑣 = 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑄 𝑟 = 𝐺𝑎𝑠𝑡𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑙 −−−−−−−−−−−−− −𝑄 𝑟 = 𝑉𝑟 𝐴 𝑐 𝑉𝑡 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑎
  17. 17. GASTO 𝑄 = 𝐶 𝑑 𝐴 2𝑔𝐻 𝑄 = 𝑔𝑎𝑠𝑡𝑜 𝐶 𝑑 = 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝐴 = 𝑎𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑜𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑖𝑜 g= 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑 𝐻 = 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒 𝑦 𝑒𝑙 𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑜𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑖𝑜
  18. 18. DEFINICIÓN. Una compuerta consiste en una placa móvil, plana o cuerva, que al levantarse permite medir el gasto que atraviesa un canal, presa o obras hidráulicas, a la vez que regula la descarga producida.
  19. 19. FUNCIÓN Las diferentes formas de las compuertas dependen de su aplicación, el tipo de compuerta a utilizar dependerá principalmente del tamaño y forma de la abertura de la carga estática del espacio disponible, del mecanismo de apertura y de las condiciones particulares. Algunos casos son: • Control de flujo de agua • Control de inundaciones • Proyectos de irrigación • Sistemas de drenaje • Plantas de tratamiento
  20. 20. CLASIFICACIÓN Las compuertas se clasifican según sus usos para obras hidráulicas de gran envergadura, (canales, presas, esclusas, etc) y para tuberías.
  21. 21. COMPUERTA TIPO TEJADO Es operada utilizando el desnivel de agua creado por estas y no requiere de equipo mecánico para su operación.
  22. 22. COMPUERTA BASCULANTE Puede ser utilizada en la cima del vertedero de una presa o instalada en el fondo de un rio o canal.
  23. 23. COMPUERTA TIPO CILINDRO Las compuertas cilíndricas se utilizan para descargas en presión, permitiendo la colocación de la sección de toma a cualquier profundidad, en un embalse. En el mismo pozo se pueden disponer tomas de agua a diversas alturas. Se acopla fácilmente a una tubería de salida.
  24. 24. COMPUERTA TIPO ESCLUSA Tienen bisagras verticales que se accionan por medios mecánicos o por pistones hidráulicos que permiten el paso de embarcaciones que deben atravesar una diferencia de niveles pronunciados.
  25. 25. COMPUERTA TIPO SECTOR Es una compuerta utilizada en vertederos y presas, es manipulada utilizando el desnivel de agua creado por estas, no requiere de equipo mecánico para su operación. La necesidad de contar con una cámara donde se abate la compuerta hace que el vertedero no pueda tener la forma adecuada, lo que incrementa el volumen del hormigón del mismo
  26. 26. COMPUERTA TIPO STONEY Son utilizadas para tomas de presión para descargas de fondo o para la toma de una central hidroeléctrica.
  27. 27. COMPUERTA TIPO VISERA Es utilizada en canales navegables y es accionada por un pistón hidráulica o neumática.
  28. 28. COMPUERTA PLANA Son el tipo de compuertas que tienen propiedades hidráulicas cuando están bien calibradas, y pueden emplearse como medidores de flujo.
  29. 29. COMPUERTA PLANA CON DESCARGA LIBRE Y SUMERGIDA Las compuertas planas pueden clasificarse según su flujo aguas abajo como compuertas planas con descarga libre y descarga sumergida.
  30. 30. PRINCIPIOS HIDRÁULICOS EN COMPUERTAS Para realizar el calculo de El gasto “Q” en una compuerta necesitas: • Área • Velocidad • Energía del flujo • Coeficiente de contracción • Coeficiente de velocidad • Coeficiente de gasto
  31. 31. PRINCIPIOS HIDRÁULICOS EN COMPUERTAS Para obtener la ecuación que proporcione el gasto, se considerara el caso mas general que es una compuerta plana con una inclinación de θ respecto a la horizontal y un ancho “b”.
  32. 32. PRINCIPIOS HIDRÁULICOS EN COMPUERTAS Se establece la ecuación de la energía: 𝐻 = 𝑦1 + 𝑉1 2 2𝑔 = 𝐶𝑐 𝑎 + 𝑉2 2 2𝑔 Se establece la ecuación de continuidad: 𝑉1 = 𝐶𝑐 𝑎 𝑦1 𝑉2 Sustituimos ecuación 2 en la 1 y obtenemos: 𝑦1 + 𝐶𝑐 𝑎 𝑦1 2 𝑉2 2 2𝑔 = 𝐶𝑐 𝑎 + 𝑉2 2 2𝑔 1 2
  33. 33. VELOCIDAD Seguimos operando: 𝑉2 2 2𝑔 = 𝑦1 − 𝐶𝑐 𝑎 1 − 𝐶𝑐 𝑎 𝑦1 2 = 1 − 𝐶𝑐 𝑎 𝑦1 𝑦1 1 + 𝐶𝑐 𝑎 𝑦1 1 − 𝐶𝑐 𝑎 𝑦1 Entonces la velocidad media real en la sección contraída es: 𝑉2 = 𝐶𝑣 1 + 𝐶𝑐 𝑎 𝑦1 2𝑔𝑦1 𝐶 𝑣 = coeficiente de velocidad
  34. 34. EL GASTO Considerando la expresión básica: 𝑄 = 𝐴𝑉 Donde: 𝑉 = 𝐶𝑣 1 + 𝐶𝑐 𝑎 𝑦1 2𝑔𝑦1 𝐴 = 𝑏 ∗ 𝐶𝑐 𝑎 𝑄 = 𝐶𝑣 𝑏 ∗ 𝐶𝑐 𝑎 1 + 𝐶𝑐 𝑎 𝑦1 2𝑔𝑦1 𝑄 = 𝐶 𝑑 𝑎𝑏 2𝑔𝑦1 𝐶 𝑑 = 𝐶 𝑣 𝐶𝑐 1 + 𝐶𝑐 𝑎 𝑦1
  35. 35. COEFICIENTES 𝐶 𝑑(𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑔𝑎𝑠𝑡𝑜) • Dependen de la geometría del flujo y del numero de Reynolds. • Gentinili realizo investigaciones y obtuvo distintas relaciones para diversos casos de compuertas planas inclinadas con descarga libre.
  36. 36. COEFICIENTES 𝐶 𝑑(𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑔𝑎𝑠𝑡𝑜) • Tabla para calcular el coeficnete del gasto de una compuerta plana vertical según Cofré y Buchheister
  37. 37. COEFICIENTES 𝐶 𝐶(𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛) • La contracción que sufre el chorro de agua al pasar a través de la compuerta se prolonga desde la salida hasta “L”, la cual depende de la abertura “a” y del coeficiente de contracción. 𝐿 = 𝑎 𝐶𝑐 𝐶𝑐=0.62 ---- para cualquier relación y1/a inclusive para carga sumergida
  38. 38. COEFICIENTES 𝐶𝑣(𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑) • Knapp propone una ecuación para calcular el coeficiente de velocidad en compuertas verticales con descarga libre en función de a/H. 𝐶 𝑣 = 0.960 + 0.0979 𝑎 𝑦1 Tiene como limite superior Cv = 1, el cual se alcanza para a/y1=0.408
  39. 39. DEFINICIÓN Los vertederos son probablemente las estructuras de aforo mas usadas en la medición del volumen de agua que circula en un canal.
  40. 40. CLASIFICACIÓN Los vertederos se pueden clasificar o dividir en dos grupos; vertedores de pared delgada y vertedores pared gruesa. Cada uno de los vertedores tienen características especificas de funcionamiento hidráulico y condiciones de instalación en sitio.
  41. 41. VERTEDOR DE PARED DELGADA Se refiere al tipo de estructura de medición que también es conocido como vertedor de cresta afilada, el termino cresta afilada puede causar confusión.
  42. 42. VERTEDORES DE PARED GRUESA Los vertederos de pared gruesa son estructuras comúnmente incorporadas en distritos de riego para control de nivel y no como estaciones de aforo.
  43. 43. VERTEDORES DE PARED DELGADA RECTANGULARES CON CONTRACCIÓN Presentan una muesca de forma rectangular que no ocupa el ancho total del canal. De sesta forma el paso se cierra en ambos lados y permite que la lamina vertiente se contraiga en sentido horizontal.
  44. 44. GASTO PARA VERTEDORES RECTANGULARES CON CONTRACCIÓN Una de las ecuaciones mas utilizadas para determinar el gasto de un vertedor rectangular con contracciones laterales es la expresión propuesta por la Sociedad de Ingenieros y Arquitectos de Suiza: 𝑄 = 1.6064 1 + 0.064 𝑏 𝐵 2 + 0.00626 1 − 0.82907 𝑏 𝐵 2 ℎ + 0.0016 1 + 0.5 𝑏 𝐵 4 ℎ ℎ + 𝑝 2 𝑏ℎ3/2
  45. 45. VERTEDORES DE PARED DELGADA RECTANGULARES SIN CONTRACCIÓN Cuando abarcan todo el ancho de un canal de paredes verticales. (en este caso se requiere asegurar la ventilación de la superficie de la lamina vertiente). Son de sección transversal rectangular.
  46. 46. GASTO PARA VERTEDOR RECTANGULAR SIN CONTRACCIONES Una de las ecuaciones mas utilizadas para determinar el gasto que circula por un vertedor rectangular sin contracciones laterales es: 𝑄 = 2.953 0.602 + 0.0852 ℎ 𝑝 𝑏(ℎ + 0.00125)3/2
  47. 47. VERTEDORES DE PARED DELGADA TRAPEZOIDAL Presentan una muesca de forma trapezoidal que no ocupa el ancho total del canal. De sesta forma el paso se cierra en ambos lados y permite que la lamina vertiente se contraiga en sentido horizontal.
  48. 48. VERTEDORES DE PARED DELGADA TRIANGULAR Vertedor en forma de “V”, esta sección se logra practicando un corte triangular, con la base invertida en una placa. Su ventaja es que ofrece una facilidad para medir gastos pequeños con presión y cubrir un rango amplio. Comúnmente se usa con un ángulo de 90°, pero se pueden usar otros ángulos.
  49. 49. PRINCIPIOS HIDRÁULICOS Cualquier barrera u obstáculo, colocado sobre un canal en el que circula un flujo a superficie libre puede ser utilizado como un medidor de gasto. Siempre que sea posible establecer una relación entre la carga y el gasto. La geómetra de la barrera determina un coeficiente de descarga “Cd” y un coeficiente “u” 𝑄 = 𝐶 𝑑 𝐿ℎ 𝑢 𝑄 = 𝑔𝑎𝑠𝑡𝑜 𝑒𝑛 𝑚 𝑠 𝐶 𝑑 = 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝐿 = 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑟𝑒𝑠𝑡𝑎 𝑣𝑒𝑟𝑡𝑒𝑑𝑜𝑟𝑎 ℎ 𝑢 = 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 ℎ𝑖𝑑𝑟𝑎𝑢𝑙𝑖𝑐𝑎 𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑓𝑢𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑟𝑒𝑠𝑡𝑎
  50. 50. PRINCIPIOS HIDRÁULICOS Algunas consideraciones que debes tener en cuenta: I. Para un gasto medir, la altura del nivel del agua (carga hidráulica) sobre el vertedor no debe ser menor a 6m y no debe exceder los 60 cm II. Para vertedores triangulares y trapezoidales, la carga no debe exceder de un tercio de la longitud del vertedor. III. La longitud del vertedor debe ser seleccionada de forma que la carga para el caudal de diseño cumpla en forma cercana para valores máximos delimitados en las recomendaciones anteriores. IV. La cresta debe ser puesta a una altura tal que el flujo que circule por arriba tenga una caída libre, cuidando dejar un espacio aireado por la parte de abajo y a los costados.
  51. 51. PRINCIPIOS HIDRÁULICOS Una recomendación para seleccionar el tipo de vertedor de cresta delgada en función del gasto máximo que circula es un canal es: I. Para un gasto mayor a 300 l/s se puede instalar un vertedor rectangular. II. Para un gasto entre 300 l/s a 30 l/s se puede instalar un vertedor rectangular o triangular, aunque se ha notado que para ese tipo de estaciones de aforos, el vertedor triangular facilita su construcción. III. Para un gasto menor a 30 l/s es recomendable la instalación de un vertedor triangular.
  52. 52. ECUACIÓN GENERAL DE GASTO Para realizar el calculo de El gasto “Q” necesitas: • Altura de la cresta (p) • Carga total (H) • Velocidad puntual (v) • Carga hidrostática (y) • Carga sobre la cresta del vertedor (h0) • Velocidad final (v2)
  53. 53. ECUACIÓN GENERAL DE GASTO Aplicando la ecuación de Bernoulli 𝐻 = ℎ + 𝑉2 2 2𝑔 = 𝑦 + 𝑉2 2𝑔 Considerando despreciable la V2, la velocidad en cualquier punto seria 𝑉 = 2𝑔(𝐻 − 𝑦) El gasto que pasa en un área determinada lo podemos representar como 𝑑𝑄 = 2 2𝑔𝜇 (𝐻 − 𝑦)𝑑𝑦 Donde 𝜇 es un factor de corrección que toma en cuenta la modificación en la trayectoria de las líneas de corriente. Integrando la ecuación anterior 𝑄 = 2 2𝑔𝜇 0 ℎ (𝐻 − 𝑦)𝑑𝑦 𝑄 = 2 2𝑔𝑏 𝐻3/2 − (𝐻 − ℎ)3/2 Relacionándola con la ecuación de Bernoulli: 𝑄 = 2 3 2𝑔𝑏 ℎ + 𝑉2 2 2𝑔 3/2 − 𝑉2 2 2𝑔 3/2
  54. 54. ECUACIÓN GENERAL DE GASTO Agregandole el Cd a la ecuación 𝑄 = 𝐶 𝑑 𝑏ℎ3/2 o 𝑄 = 𝐶 𝑑 𝑏𝐻3/2 La segunda ecuación se utiliza cuando el valor de la V2 es importante: 𝐻 = ℎ + 𝑉2 2 2𝑔

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