hidraulica

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA RECINTO UNIVERSITARIO PEDRO ARAUZ PALACIOS

FACULTAD TECNOLOGIA DE LA CONSTRUCCION DEPARAMENTO DE HIDRAULICA Y MEDIO AMBIENTE

GUIAS DE LABORATORIO DE HIDRAULICA I

Elaborado por: Ing. No Hernndez Durn Revisado por: Ing. Lino Aranda Salmern

1

PROLOGO

La Facultad de Tecnologa de la Construccin (F.T.C.) a travs del Departamento de

Hidrulica y Medio Ambiente ha preparado la presente GUA DE LABORATORIOS

DE HIDRULICA I.

Las prcticas de laboratorio son parte integral de las formas organizativas del

proceso docente para impartir clases de pregrado y postgrado, segn lo establece el

Art. 61, Captulo VI del Reglamento del Trabajo de los Docentes de la Educacin

Superior.

La clase es el elemento principal del proceso docente-educativo, mediante la cual se

lleva a cabo la preparacin terica y el desarrollo de los hbitos y habilidades en la

especialidad. Dentro de los diferentes tipos de clases que se imparten en las

asignaturas de las carreras de Ingeniera Civil y Agrcola, las clases de laboratorio

tienen por objetivo consolidar los conceptos tericos de las materias estudiadas por

los alumnos; ensearles los mtodos de la investigacin experimental y cientfica;

desarrollar los hbitos del anlisis y generalizacin de los resultados alcanzados y

del trabajo con los equipos de laboratorio.

En las asignaturas de Mecnica de Fluidos e Hidrulica I, las clases de laboratorio

son una de las direcciones ms importantes en el estudio de las mismas. La

realizacin de un conjunto de trabajos de laboratorios permite a los alumnos

determinar las presiones ejercidas por los fluidos en las superficies a travs del

cuadrante hidrulico; as como determinar experimentalmente el centro de presin

en una superficie plana vertical; desarrollar habilidades y destrezas en el uso y

manejo del banco hidrulico; medir caudales y coeficientes de descargas de

medidores de cabeza variable (Venturi, placa de orificio); entender el concepto de

gradiente hidrulico; medir la prdida de energa en flujo laminar y turbulento y poder

determinar los coeficientes de friccin asociados; determinar experimentalmente las

prdidas que se producen en los accesorios de un sistema de tuberas, etc. As

como consolidar los conocimientos tericos aprendidos y la metodologa para la

realizacin y organizacin de los informes de laboratorio.

Cabe sealar que estos ensayos se han elaborado en base a los nuevos equipos de

laboratorio adquiridos por la Universidad Nacional de Ingeniera a travs de la F.T.C.

La gua de laboratorio se presenta en forma elemental, pero rigurosa, y las

ilustraciones o esquemas se utilizan para mostrar el uso de los conceptos tericos al

resolver problemas prcticos de la vida cotidiana. El procedimiento expuesto por

2

cada uno de los ensayos es desarrollado en base al estudio y anlisis de cada

aparato para obtener resultados de calibracin y funcionamiento.

Por todo lo anterior, la presente GUA DE LABORATORIOS DE HIDRULICA I

constituye un documento de inapreciable valor en manos de los alumnos para elevar

su preparacin en estas disciplinas. De esta manera tratamos de contribuir a elevar

la preparacin de nuestros futuros egresados y profesionales en la rama de la

Ingeniera Civil y Agrcola, y puedan con ello, desarrollar competencias que lo

habiliten para cumplir satisfactoriamente las tareas que se le asignen en el ejercicio

de su profesin al servicio de la sociedad nicaragense.

3

INDICE GENERAL PROLOGO .................................................................................................................................................1

1. DETERMINACIN EXPERIMENTAL DEL CENTRO DE PRESIN EN UNA SUPERFICIE PLANA .............9

1.1 INTRODUCCIN ........................................................................................................................9

1.2 OBJETIVOS ............................................................................................................................. 10

1.3 EQUIPOS A UTILIZAR EN EL ENSAYO ..................................................................................... 10

1.4 GENERALIDADES .................................................................................................................... 10

1.5 DESCRIPCION DEL EQUIPO .................................................................................................... 11

1.6 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ......................................................................................... 12

1.7 TABLA DE RECOLECCIN DE DATOS ...................................................................................... 12

1.8 PROCEDIMIENTO DE CLCULO.............................................................................................. 13

1.8.1 Caso 1: PLANO VERTICAL PARCIALMENTE SUMERGIDO ............................................... 13

1.8.2 Caso 2: PLANO VERTICAL TOTALMENTE SUMERGIDO. ................................................. 15

1.9 PRESENTACIN DE RESULTADOS .......................................................................................... 16

1.10 DESEMPEOS DE COMPRENSIN ......................................................................................... 17

2 DETERMINACION DE LA ALTURA METACENTRICA ........................................................................ 18

2.1 INTRODUCCIN ..................................................................................................................... 18

2.2 DESCRIPCIN ......................................................................................................................... 19

2.3 OBJETIVOS ............................................................................................................................. 19


2.5 GENERALIDADES .................................................................................................................... 20




2.8.1 DETERMINACION DEL GM EXPERIMENTAL ................................................................... 22

2.8.2 DETERMINACION DEL GM TERICO.............................................................................. 23

2.9 PRESENTACION DE RESULTADOS .......................................................................................... 24


3 USO Y MANEJO DEL BANCO HIDRULICO ..................................................................................... 25

3.1 INTRODUCCION ..................................................................................................................... 25

3.2 OBJETIVOS ............................................................................................................................. 26


4

3.4 DESCRIPCION DEL BANCO HIDRULICO ................................................................................ 26

3.5 GENERALIDADES .................................................................................................................... 28

3.5.1 REQUERIMIENTOS DEL EQUIPO .................................................................................... 28

3.5.2 CONDICIONES DE SEGURIDAD ADECUADAS ................................................................. 28

3.5.3 ESPECIFICACIONES ........................................................................................................ 29

3.6 OPERACIN DEL BANCO HIDRULICO .................................................................................. 29


3.8 TABLA DE RECOLECCION DE DATOS ...................................................................................... 31


3.10 TABLA DE PRESENTACION DE RESULTADOS ......................................................................... 32

3.11 DESEMPEOS DE COMPRENSION ......................................................................................... 32

4 EL VENTURMETRO ........................................................................................................................ 33

4.1 INTRODUCCIN ..................................................................................................................... 33

4.2 OBJETIVOS ............................................................................................................................. 35

4.2.1 OBJETIVO GENERAL ....................................................................................................... 35

4.2.2 OBJETIVOS ESPECIFICIOS ............................................................................................... 35


4.4 DATOS TECNICOS .................................................................................................................. 35

4.5 GENERALIDADES .................................................................................................................... 36

4.5.1 DETERMINACIN DEL CAUDAL TERICO (Qt). .............................................................. 36

4.5.2 DETERMINACIN DEL CAUDAL REAL Y VELOCIDAD REAL (Qr y Vr). .............................. 37

4.5.3 CARGA TOTAL DE PRESION............................................................................................ 38

4.5.4 DETERMINACIN DE LA VELOCIDAD EXPERIMENTAL (Vexp).......................................... 38

4.5.5 DETERMINACIN DEL COEFICIENTE DE DESCARGA Y COEFICIENTE DE VELOCIDAD (Cd,

Cv). 39

4.5.6 COMPORTAMIENTO DE LA LNEA PIEZOMTRICA A TRAVS DEL VENTURIMETRO. .... 39

4.5.7 DISTRIBUCIN IDEAL Y REAL DE LAS PRESIONES. ......................................................... 40




4.9 TABLAS DE PRESENTACIN DE RESULTADOS ........................................................................ 43

4.9.1 COEFICIENTE DE DESCARGA .......................................................................................... 43

5

4.9.2 COEFICIENTE DE VELOCIDAD EN LA ENTRADA (Posicin A) .......................................... 44

4.9.3 COEFICIENTE DE VELOCIDAD EN LA GARGANTA (Posicin E) ....................................... 44

4.9.4 DISTRIBUCION IDEAL Y REAL DE PRESIONES COMO FRACCION DE LA ENERGIA

CINETICA EN LA GARGANTA. ......................................................................................................... 44


5 IMPACTO DE UN CHORRO ............................................................................................................. 46

5.1 INTRODUCCION ..................................................................................................................... 46

5.2 OBJETIVOS ............................................................................................................................. 47



5.5 GENERALIDADES .................................................................................................................... 48

5.5.1 METODO ........................................................................................................................ 48

5.5.2 FUNDAMENTO TERICO ............................................................................................... 48


5.6.1 PROCEDIMIENTO FIJACION DEL EQUIPO .................................................................... 49

5.6.2 TOMANDO UNA SERIE DE DATOS ................................................................................. 50




5.10 DESEMPEOS DE COMPRESION............................................................................................ 52

6 PERDIDAS POR FRICCION A LO LARGO DE UN TUBO DE DIAMETRO PEQUEO ........................... 53

6.1 INTRODUCCION ..................................................................................................................... 53

6.2 OBJETIVO ............................................................................................................................... 54


6.4 DATOS CONSTANTES DEL EQUIPO ........................................................................................ 55



6.6.1 FIJACION DEL EQUIPO ................................................................................................... 56

6.6.2 FIJACIN PARA CAUDALES ALTOS ................................................................................. 56

6.6.3 FIJACIN PARA CAUDALES BAJOS (USANDO EL TANQUE DE CARGA) .......................... 57

6.6.4 TOMAD DE LECTURAS PARA EL M. DE MERCURIO........................................................ 57

6.6.5 TOMA DE LECTURAS PARA EL M. DE AGUA .................................................................. 58

6

6.7 TABLAS DE RECOLECCION DE DATOS .................................................................................... 58


6.9 TABLAS DE PRESENTACION DE RESULTADOS ........................................................................ 60


7 PERDIDAS DE CARGAS LOCALES .................................................................................................... 61

7.1 INTRODUCCION ..................................................................................................................... 61

7.2 OBJETIVO ............................................................................................................................... 62



7.5 DATOS TCNICOS .................................................................................................................. 63

7.6 GENERALIDADES .................................................................................................................... 64

7.6.1 FUNDAMENTO TERICO ............................................................................................... 64


7.7.1 PROCEDIMIENTO DE INSTALACIN. .............................................................................. 65

7.7.2 PROCEDIMIENTO-TOMAR UN CONJUNTO DE RESULTADOS. ....................................... 66



7.9.1 EJERCICIO A ................................................................................................................... 67

7.9.2 EJERCICIO B ................................................................................................................... 69


8 FLUJO ATRAVES DE UN ORIFICIO .................................................................................................. 71

8.1 INTRODUCCION ..................................................................................................................... 71

8.2 OBJETIVOS ............................................................................................................................. 72



8.5 GENERALIDADES .................................................................................................................... 74

8.5.1 METODO ........................................................................................................................ 74

8.5.2 DETERMINACION DE COEFICIENTES CON FLUJO DE CARGA CONSTANTE .................... 74


8.6.1 PROCEDIMIENTO FIJACION DEL EQUIPO .................................................................... 75

8.6.2 TOMANDO UNA SERIE DE RESULTADOS ....................................................................... 76

8.6.3 DETERMINACION DEL COEFICIENTE DE DESCARGA ...................................................... 76

7

8.6.4 DETERMINACION DEL COEFICIENTE DE VELOCIDAD ..................................................... 76

8.6.5 DETERMINACION DEL COEFICIENTE DE CONTRACCION (orificio biselado) .................. 77




8.10 DESEMPEOS DE COMPRESION............................................................................................ 79

9 TRAYECTORIA DE UN CHORRO LIBRE ............................................................................................ 80

9.1 INTRODUCCION ..................................................................................................................... 80

9.2 OBJETIVOS ............................................................................................................................. 81


9.3.1 DATOS TCNICOS........................................................................................................... 81


9.5 GENERALIDADES .................................................................................................................... 82

9.5.1 MTODO ........................................................................................................................ 82

9.5.2 PRUEBA 1: DETERMINACIN DEL COEFICIENTE DE VELOCIDAD DE LA TRAYECTORIA

DEL CHORRO .................................................................................................................................. 82

9.5.3 PRUEBA 2: DETERMINACIN DEL COEFICIENTE DE DESCARGA BAJO CARGA

CONSTANTE ................................................................................................................................... 84

9.5.4 PRUEBA 3: DETERMINACIN DEL COEFICIENTE DE DESCARGA BAJO CARGA VARIABLE

(EN DISMINUCION) ........................................................................................................................ 85


9.6.1 PRUEBA 1 ....................................................................................................................... 85

9.6.2 PRUEBA 2 ....................................................................................................................... 86

9.6.3 PRUEBA 3 ....................................................................................................................... 86

9.7 TABLAS DE RECOLECCION DE DATOS .................................................................................... 86

9.7.1 PRUEBA 1 ....................................................................................................................... 86

9.7.2 PRUEBA 2 ....................................................................................................................... 87

9.7.3 PRUEBA 3 ....................................................................................................................... 87


9.8.1 PRUEBA 1 ....................................................................................................................... 87

9.8.2 PRUEBA 2 ....................................................................................................................... 87

9.8.3 PRUEBA 3 ....................................................................................................................... 88

8

9.9 TABLAS DE PRESENTACION DE RESULTADOS ........................................................................ 88

9.9.1 PRUEBA 1 ....................................................................................................................... 88

9.9.2 PRUEBA 2 ....................................................................................................................... 88

9.9.3 PRUEBA 3 ....................................................................................................................... 89


9

1. DETERMINACIN EXPERIMENTAL DEL CENTRO DE

PRESIN EN UNA SUPERFICIE PLANA

1.1 INTRODUCCIN

Las fuerzas distribuidas de la accin del fluido sobre un rea finita pueden

remplazarse convenientemente por una fuerza resultante. El ingeniero debe calcular

las fuerzas ejercidas por los fluidos con el fin de poder disear satisfactoriamente las

estructuras que los contienen. Es de suma importancia, calcular la magnitud de la

fuerza resultante y su lnea de accin (centro de presin).

El centro de presin, es un concepto que se debe tener claro, ya que su

determinacin es bsica para la evaluacin de los efectos que ejerce la presin de

un fluido sobre una superficie plana determinada, por ejemplo: si se quiere

determinar el momento que est actuando sobre una compuerta o para estudiar la

estabilidad de una presa de gravedad, la pared de un tanque de almacenamiento de

lquidos o el caso de un barco en reposo.

47

Este experimento consiste en la medicin de la fuerza de impacto de un chorro de agua sobre superficies slidas. El aparato permite la medicin de la fuerza del impacto del chorro sobre cuerpos slidos de distinta forma, adems de las variables necesarias para la comparacin de los resultados experimentales con predicciones tericas, tales como el caudal del chorro, etc. Posee cuerpos de distintas formas (plana, cnica, semicircular, etc.) para realizar el experimento.

5.2 OBJETIVOS

1. Investigar las fuerzas producidas por el cambio en momento del flujo de un

fluido.

2. Determinar la fuerza que produce el impacto de un chorro vertical de agua.

5.3 DESCRIPCION DEL EQUIPO

Figura 9: Descripcin del impacto de un chorro

El equipo est diseado para ubicarse en el banco hidrulico y se debe conectar

directamente el alimentador del banco a travs del conector de liberacin rpida.

La emisin de agua desde la boquilla (D=0.008m) y luego golpea la mira, sale a

travs de hoyos de salida en la base del cilindro. Un respiradero es incluido para que

el interior permanezca bajo presin atmosfrica.

48

La fuerza vertical de impacto en el blanco es medida por adicin de pesos en el

porta pesa, hasta que la marca del porta pesa corresponda con el calibrador de

nivel. El calibrador de nivel asegura que la compresin en el muelle sea siempre

constante y no afecte las medidas.

Para cambiar el blanco, remueva los pernos del plato superior del cilindro para

quitarlo, Tenga cuidado de no sobre socar los pernos cuando quite el plato superior

porque esto puede daar el plato.

5.4 EQUIPOS A UTILIZAR EN EL ENSAYO

1. Banco hidrulico F1-10

2. Aparato de impacto de un chorro F1-16

3. Un cronmetro

5.5 GENERALIDADES

5.5.1 METODO

Midiendo las fuerzas producidas por un chorro golpeando una superficie slida el

cual produce diferentes grados de deflexin de flujo.

5.5.2 FUNDAMENTO TERICO

La velocidad de un fluido, v, partiendo de una boquilla de rea de seccin

transversal A, es dada por:

q L

Se asume que la magnitud de la velocidad (es decir la rapidez) no cambia cuando

fluye el fluido alrededor del deflector, y que solamente su direccin cambia.

La aplicacin de la segunda ley de Newton al flujo desviado da el resultado:

q L k :EEs;

49

Donde:

Fy: Fuerza ejercida por el deflector en el fluido.

Qm: Caudal de flujo msico

Pero q L O L O

Donde

Q. caudal de flujo volumtrico.

Para el equilibrio esttico, Fy es balanceado por la carga aplicada, W (y W=mg,

donde m es la masa aplicada) por lo tanto:

q 9 L #6:EEs;

As, la pendiente, s, de un grafico de W trazado contra v2 es: OL #:EEs;

Nota: EL szrQF =, donde = es el ngulo de deflexin del flujo.

5.6 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

5.6.1 PROCEDIMIENTO FIJACION DEL EQUIPO

1. Remueva la placa superior (aflojando los pernos) y el cilindro transparente del

aparato impacto de chorro.

2. Revise y registre el dimetro de salida de la boquilla.

3. Reubique el cilindro.

4. Atornille uno de los cuatro deflectores de flujo (teniendo identificado el ngulo

de deflexin) en el final del tubo.

5. Posicione el aparato en el canal del banco hidrulico y conctelo al suministro

de agua con el conector de liberacin rpida.

6. Reubique la placa superior al tanque transparente pero no ponga los tres

pernos.

7. Usando el nivel de burbuja asido en la parte superior, nivele el tanque con los

piecitos.

50

8. Reubique los tres pernos y squelos en secuencia para mantener la placa

superior en el nivel indicado. Tenga cuidado de no resocar mucho los pernos

porque puede daar la placa.

9. Asegrese que el tubo vertical esta libre para moverse y apoyado por el

muelle debajo del porta pesa.

5.6.2 TOMANDO UNA SERIE DE DATOS

1. Sin peso en el porta-pesa ajuste la posicin del calibrador del nivel hasta que

se alinee con la lnea datum del porta-pesa.

2. Revise que la posicin es correcta oscilando ligeramente el portador (el

portador debera venir a descansar otra vez a la lnea datum del calibrador del

nivel).

3. Ubique un peso de aproximadamente de 0.4 kg en el porta-pesa.

4. Enciende el banco hidrulico y abra la vlvula para producir flujo.

5. Ajuste la posicin de la vlvula hasta que sea obtenido equilibrio esttico con

la lnea datum del porta-pesa alineada con el calibrador del nivel (revise otra

vez oscilando ligeramente el portador).

6. Observe (y note) el comportamiento del flujo durante las pruebas.

7. Mida el caudal por registro de volumen temporizado usando el tanque

volumtrico y un cronometro.

8. Realice estas medidas dos veces para mejor consistencia y promedie las

lecturas.

9. Repita este procedimiento para una gama de masas aplicadas al porta-peso.

10. Despus repita la prueba completa para cada uno de los otros tres

deflectores.

Nota: El blanco de treinta grados demuestra las fuerzas reducidas en ngulos

de deflexin pequeas. Comparacin con la teora en este ngulo de

deflexin reducido ser pobre para los caudales reducidos.

51

5.7 TABLA DE RECOLECCION DE DATOS

D: Dimetro de boquilla, : ngulo de deflexin depende del tipo de deflector.

Lectura # D (mm) () V (lts) T (seg) W (kg)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

5.8 PROCEDIMIENTO DE CLCULO

1. Calcule el caudal usando la formula conceptual.

q 3 L8P

:I 7O;

2. Calcule la velocidad con la ecuacin 1.

3. Calcule el rea de la boquilla usando el dimetro dado en la seccin 3 de la

gua.

4. Calcule la fuerza del impacto del chorro usando la ecuacin 4, ya que W = Fy.

5. Determine la pendiente terica usando los datos constantes como son el rea

de la boquilla, densidad del agua y el ngulo de deflexin, con la ecuacin 5.

6. Determine la pendiente experimental promedio a partir de la grfica trazando

W (masas aplicadas) contra V2 (velocidad del flujo).

52

5.9 PRESENTACION DE RESULTADOS

Lectura #

D (m)

W (kg)

Qr (m3/s)

V (m/s)

V2

(m/s)2 Fy

(Newton) S

Experimental S

Terica

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

5.10 DESEMPEOS DE COMPRESION

1. Grafique v2 vs W , obtenga la pendiente de la grafica y comprela con los

resultados de 5L O :EEs; 2. Comente acerca de los resultados tericos y experimentales de razones para

cualquier diferencia.

3. Comente acerca de la significancia de los errores experimentales.

53

6 PERDIDAS POR FRICCION A LO LARGO DE UN TUBO

DE DIAMETRO PEQUEO

6.1 INTRODUCCION

A medida que un fluido fluye por un conducto, tubo o algn otro dispositivo, ocurren prdidas de energa debido a la friccin que hay entre el liquido y la pared de la tubera; tales energas traen como resultado una disminucin de la presin entre dos puntos del sistema de flujo. En estructuras largas, las prdidas por friccin son muy importantes, por lo que ha sido objeto de investigaciones terico-experimentales para llegar a soluciones satisfactorias de fcil aplicacin.

72

El modelo hidrulico especfico con el que estamos concernidos para este

experimento es el aparato de flujo a travs de un orificio, F1-17. Este consiste de un

tanque de acrlico cilndrico el cual tiene una placa orificio fijada en su base. Una

descripcin completa del aparato est dada despus en este texto.

8.2 OBJETIVOS

3. Determinar el coeficiente de descarga de un orificio pequeo

4. Determinar el coeficiente de velocidad de un orificio pequeo

5. Determinar el coeficiente de contraccin de un orificio pequeo


Figura 12: Descripcin del equipo flujo por un orificio

El accesorio de descarga por orificios consiste de un tanque cilndrico que tiene un

hoyo en la base para aceptar uno de cinco orificios, cada uno de estos con un

73

diferente perfil. El tubo de entrada flexible es conectado al conector de liberacin

rpida en el banco hidrulico. El agua es entregada al tanque a travs de un tubo de

entrada que es ajustable en altura y colocado con un difusor para reducir agitaciones

en el tanque. Un tubo de rebose mantiene el agua en un nivel fijo en el tanque y el

agua excedente es regresada al tanque de almacenamiento de el banco hidrulico.

Un ensamblaje montado debajo de la base del tanque, habilita que un tubo de pitot

sea posicionado en cualquier parte del chorro de agua. Apegado al pitot hay un

cable fino el cual puede ser atravesado de un lado a otro del chorro, para medir el

dimetro del chorro en la vena contractada y as determinar el coeficiente de

contraccin. El ensamblaje incorpora un pomo graduado el cual mueve el tubo de

pitot una distancia de un milmetro por cada rotacin completa del pomo. Cada

graduacin en el pomo corresponde a un movimiento de 0.1mm (Nota: la medicin

del dimetro del chorro en la vena contractada es solamente el uso prctico del

orificio biselado).

El tubo de pitot y una toma en la base del tanque estn conectados a tubos

manomtricos adyacentes al tanque. Estos permiten que la carga sobre el orificio y

la carga total del chorro sean medidas y comparadas.

En adicin a un orificio estndar biselado, cuatro orificios con diferentes perfiles son

provedos. Estos vienen en una bolsa de almacenamiento plstica. Las dimensiones

de cada orificio estn dadas abajo en el documento. El orificio requerido es

posicionado en un hueco abajo en la base del tanque y sujetado apretando dos

pernos un aro 0 en la base del tanque sella el vaco entre el orificio y la base del

tanque.

El accesorio debe ser posicionado sobre el canal en el banco hidrulico y nivelado

por medio de los tornillos de ajuste. Un nivel de burbuja montado en la base del

tanque indica cuando el accesorio esta a nivel.

El flujo volumtrico de agua descargando por el orificio en prueba, puede ser

determinado usando el tanque volumtrico del banco hidrulico.

El experimento descrito debe ser desarrollado usando el orificio de borde afilado,

con el orificio instalado el borde afilado en lo ms alto. El experimento puede

entonces ser repetido usando los orificios alternativos para comparar los coeficientes

de descarga. (No ser prctico medir la contraccin del chorro usando los otros

orificios).

74

8.4 EQUIPOS A UTILIZAR EN EL ENSAYO

4. Banco hidrulico F1-10

5. Aparato de flujo a travs de un orificio F1-17

6. Un cronmetro

8.5 GENERALIDADES

8.5.1 METODO

Determinacin del coeficiente de descarga por medicin del caudal del orificio.

Determinacin del coeficiente de velocidad por medicin de la carga dinmica en el

orificio usando un tubo de pitot, debido a que en una corriente de fluido abierta la

presin manomtrica local es cero.

Determinacin del coeficiente de contraccin por medicin del dimetro de la vena

contractada.

8.5.2 DETERMINACION DE COEFICIENTES CON FLUJO DE CARGA

CONSTANTE

De la aplicacin de la ecuacin de Bernoulli (conservacin de la energa mecnica

para un flujo estable, incompresible y sin friccin):

La velocidad del flujo ideal del orificio en la vena contractada del chorro (dimetro

ms estrecho)

q gL t 4

Donde H0 es la altura de fluido sobre el orificio.

A0

Ac

75

La velocidad real es

L t 4

Cv es el coeficiente de velocidad, el cual se permite por efectos de viscosidad y, por

lo tanto Cv < 1

Para el tubo de pitot a LZ.

6eq L t a

Por consiguiente

q LLYL,

El caudal real del chorro es definido como:

L a

Donde Ac es el rea transversal de la vena contractada, dada por:

a L a 4q a L a 4

L a6

46

Donde A0 es el rea del orificio, Cc es el coeficiente de contraccin y, por lo tanto,

Cc < 1

Por consiguiente

L a 4 t t 4

Si el Cd es asumido constante, entonces la grfica de Q vs. H00.5 ser lineal y la

pendiente, L b 4t

8.6 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

8.6.1 PROCEDIMIENTO FIJACION DEL EQUIPO

10. Posicione el equipo en el canal en la cima del banco hidrulico y nivelarlo

usando los tornillos de ajuste y el nivel de burbuja en la base. Conecte el tubo

76

de entrada flexible al conector rpido del banco hidrulico, ubique el fin del

tubo de rebose directamente en el rebose del banco hidrulico (ubicado en un

lado del tanque volumtrico), y ajuste la tubera de entrada al nivel

aproximado de la carga requerida para el experimento.

11. Quite la placa del orificio del hueco en la base del cilindro, liberando los dos

tornillos (tenga cuidado no perder el aro para sellar). Revise el perfil del

orificio, y reubique el orificio requerido. El orificio biselado debe ser ubicado

con el filo hacia arriba

12. Encienda la bomba y abra la vlvula del banco hidrulico gradualmente. Tanto

que el nivel del agua se eleve en el depsito hacia lo ms alto del tubo de

rebose, ajuste la vlvula del banco para dar un nivel de agua de 2 a 3 mm

encima del nivel de rebose, con el fin del tubo de entrada completamente

sumergido. Esto asegurar una carga constante y producir un flujo estable a

travs del orificio.

8.6.2 TOMANDO UNA SERIE DE RESULTADOS

En la primera parte del experimento, ajuste el tubo de rebose y la entrada de flujo,

para obtener una altura de carga constante.

8.6.3 DETERMINACION DEL COEFICIENTE DE DESCARGA

Para medir el coeficiente de descarga, la descarga es obtenida por coleccin de una

cantidad conocida de agua del orificio en el tanque volumtrico, y registrando los

valores de carga en el orificio.

8.6.4 DETERMINACION DEL COEFICIENTE DE VELOCIDAD

Para medir el Cv, el tubo de pitot es insertado en el chorro saliente en la parte de

abajo del tanque y los valores de la carga del pitot (Hc) y la carga H0 en el orificio son

anotados.

77

8.6.5 DETERMINACION DEL COEFICIENTE DE CONTRACCION (orificio

biselado)

Esto debe ser hecho usando el orificio biselado, tanto que es probable que haya

insuficiente contraccin para obtener un valor fiable para los otros orificios.

1. Para medir el coeficiente de contraccin es necesario encontrar el dimetro

del chorro en la vena contractada. Esto se hace utilizando el cable fino asido a

la cabecera del tubo de pitot, el plano del cable siendo normal a la direccin

de atraviese del tubo. El cable es trado a cada borde del chorro

sucesivamente, justo debajo del tanque, y la posicin del tubo es leda en el

tornillo principal y la tuerca graduada se lee en cada caso.

2. Marque como referencia la posicin inicial de la tuerca, a partir de la

referencia se cuenta el numero de vueltas, cada vuelta en la tuerca es 1mm,

si la referencia de la posicin inicial se encuentra desviada, cuente en la

tuerca cada lnea graduada como una decima de milmetro, de igual manera

por apreciacin se determinan las centsimas de milmetro, el total representa

el dimetro del chorro.

3. En la segunda parte del experimento el flujo que entra en el tanque es

reducido a ms bajo que el nivel en el tanque en pasos, la descarga del

orificio est siendo medida en cada paso. Se debe tener cuidado para permitir

al nivel asentarse a un valor estable despus que el flujo de entrada en el

tanque ha sido cambiado, y es aconsejable leer este nivel varias veces

mientras la descarga est siendo colectada y para registrar el valor sobre el

intervalo de tiempo.

4. Cerca de ocho caudales diferentes deben ser suficientes para establecer la

relacin entre descarga y carga del orificio.

78

8.7 TABLA DE RECOLECCION DE DATOS

Lectura # D0 (mm) Dc (mm) H0 (m) Hc (m) V (Lts) T (seg)

1

2

3

4

5

6

7

8

8.8 PROCEDIMIENTO DE CLCULO

1. Calcule el caudal usando la formula conceptual.

q 3 L8P

:I 7O;

2. Calcule la velocidad ideal con la ecuacin 1, que surgi de la ecuacin de

Bernoulli, usando la lectura de carga sobre el orificio.

3. Calcule la velocidad real usando la ecuacin 2, a partir de la lectura en el tubo

de pitot.

4. Calcule el coeficiente de velocidad usando la ecuacin 3.

5. Calcule el rea del orificio (D = 13 mm) y de la vena contracta usando los

dimetros correspondientes.

6. Determine el coeficiente de contraccin del orificio biselado con la ecuacin 4.

7. Determine el caudal terico multiplicando el rea del orificio por la velocidad

ideal.

8. Calcule el coeficiente de descarga relacionando el caudal real del primer paso

y el caudal terico del paso anterior.

q %@L3N3P

79

8.9 PRESENTACION DE RESULTADOS

Lectura #

D0 (m)

Dc (m)

H0 (m)

Hc (m)

V (m3)

T (seg)

Qr (m3/s)

Cd Cv Cc

8.10 DESEMPEOS DE COMPRESION

4. Es justificable asumir que el coeficiente de descarga es una constante sobre

el rango de flujos estables estudiados?

5. Porque es importante estudiar estos coeficientes?

6. Cul es la diferencia en la medicin con tubo de pitot en una corriente libre y

una corriente confinada?

7. Porque son los coeficientes de descarga valores significativamente menores

que uno?

8. Comparando los valores de Cd para lo estable y las pruebas con cada de

carga, cual valor es probable a ser ms fiable?

9. Grafique Qr vs H00.5 , obtenga la pendiente de la grafica y comprela con los

resultados de 5L % #4tC

10. Grafique el Qr vs Cd y analice.

80

9 TRAYECTORIA DE UN CHORRO LIBRE

9.1 INTRODUCCION

Un chorro libre en el aire describe una trayectoria, o camino bajo la accin de la gravedad con una componente vertical de velocidad continuamente variable. La trayectoria es una lnea de corriente y por consecuencia, despreciando la presin del aire, puede aplicarse el Teorema BERNOULLI, con todos los trminos de presin nulos. Luego la suma de la elevacin y la columna de presin deben ser constantes en todos los puntos de la curva. El gradiente de energa es una recta horizontal a una altura V2/2g sobre la tobera, siendo la velocidad de salida del orificio o tobera.

El chorro que parte del orificio describe una parbola debido al efecto de la

gravedad, despreciando la resistencia del aire este experimento puede dejar

relaciones interesantes entre lo real y lo terico, aplicando los fundamentos

cientficos correspondientes.

81

9.2 OBJETIVOS

1. Determinar el coeficiente de velocidad de dos orificios pequeos.

2. Determinar el coeficiente de descarga bajo carga constante.

3. Determinar el coeficiente de descarga bajo carga variando.


Figura 13: Descripcin del equipo chorro y orificio

9.3.1 DATOS TCNICOS

Las siguientes dimensiones del equipo son usados en los clculos apropiados. Si se

requiere estos valores pueden ser revisados como parte del procedimiento

experimental remplazarlos con tus propias mediciones.

Dimetro del orificio pequeo 0.003m

Dimetro del orificio grande 0.006m

rea superficial del depsito 1.812 E-2m2

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