1. Ciencia

XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L
AMH
DE
H I D R Á U LI C A
AMH
PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014
PRÁCTICA DE LABORATORIO: CAPTACIÓN DE ALTA CAÍDA
Cafaggi Félix Amalia Adriana
Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México. Circuito Exterior S/N, Ciudad Universitaria,
Del. Coyoacán, México D.F., México. C.P. 04510
[email protected]
Instalación empleada. Consta de un canal colector
rectangular que simula al drenaje superficial, éste se conecta a
una estructura vertical con entrada de ranura excéntrica la cual
propicia un descenso con una trayectoria helicoidal que obliga
al agua a pegarse a las paredes, al terminar la estructura
vertical se presenta un salto hidráulico anular propiciado por
el agua acumulada en el fondo de la lumbrera. La ilustración 1
muestra el canal colector y su conexión a la estructura de caída
y en la ilustración 2 se muestran las estructuras de caída y
amortiguadora y su conexión con el túnel interceptor.
e=0.096
B1 = 0.193
J
1
D=
Uno de los temas de la asignatura es el de la conexión entre el
drenaje superficial y el drenaje profundo, el cual es relevante
en la Zona Metropolitana del Valle de México, ya que la red
primaria y secundaria de alcantarillado viaja a profundidades
que van desde los 4 hasta los 8 m, mientras que la red de
drenaje profundo opera a profundidades mayores a los 40 m,
por lo que se hace necesario el empleo de estructuras de
captación que regulen, controlen y conduzcan el gasto desde la
red primaria hasta el drenaje profundo.
Energía específica.
Flujo anular y vórtice libre.
93
En el plan de estudios de la carrera de ingeniería civil de la
Facultad de Ingeniería, vigente desde agosto de 2006, se
tienen cuatro asignaturas obligatorias de hidráulica y una
selectiva a elegir entre Obras Hidráulicas, que trata de las
grandes obras rurales, e Hidráulica Urbana, que trata tanto del
abastecimiento como del desalojo del agua en las grandes
ciudades. Esta última asignatura, que se imparte en el último
semestre de la carrera, es de relativa nueva creación, pues no
existía antes del plan de estudios vigente, lo cual ha obligado a
diseñar nuevas prácticas de laboratorio.


0.1
INTRODUCCIÓN
En el laboratorio de hidráulica de la Facultad de Ingeniería se
tiene la infraestructura que se empleó para un estudio
experimental en modelo de un pozo de caída con entrada de
ranura excéntrica que fue realizado a solicitud de la Comisión
Nacional del Agua (Rodal, 2010). Aprovechando esta
infraestructura, se diseñó una práctica de laboratorio en la que
los alumnos conocen el funcionamiento de una estructura de
conexión y analizan el comportamiento del agua dentro de la
misma.
0.193
y1
z = 0.0982
 = 20°
hj
1
DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA DE
LABORATORIO
J
Nombre: Lumbrera de descarga al sistema de drenaje
profundo.
Ilustración 1.- Canal colector y estructura de conexión.
Objetivo: Analizar el funcionamiento hidráulico de una
captación de alta caída.
Antecedentes requeridos:


Función de una captación de alta caída.
Elementos que constituyen una captación de alta
caída.
Acotaciones en metros.
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INSTRUCTIVO DE LA PRÁCTICA
0.36
Desarrollo
1. Identificar las secciones de medición que se ubican en la
estructura:

Sección 1 en el canal de aproximación.

Sección J en la entrada de la estructura con ranura
vertical.

Sección 2 en el pozo de caída.

Sección 3 en la zona de disipación de energía.
2.49
1
J
2. Medir:
a) El nivel de la cresta NC del vertedor de aforo, en m.
b) La lectura dp del vernier en la pared interior del
pozo de caída sección 2, en m, ver figura 3
N C =_______m
3. Para tres condiciones de operación diferentes, medir y
registrar en la tabla 1:
a) El nivel de la superficie libre del agua en el vertedor
rectangular, NSA en m.
b) El tirante y1 al inicio de la rampa, en m. Ilustración
1.
c) La altura h j a la entrada del pozo, en m. Ilustración
1.32
2
d)
e)
f)
1.
El ángulo θ del flujo anular que forma la velocidad
absoluta con la horizontal, en grados. Ilustración 3.
La distancia dSA en la sección 2. Ilustración 4.
Las alturas h1, h2 y h3 en los piezómetros de la
sección 3 medidos desde el nivel del piso.
Ilustración 2.
0.12
p3

d p =_______m
0.0
3
Vt

0.91
h
V
Vz
Ilustración 2.- Estructuras de caída y amortiguadora y conexión
con túnel interceptor.
Acotaciones en metros.
Ilustración 3.- Componentes de velocidad
del vórtice en la sección 2.
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3. En la sección 2, determinar el espesor del anillo ba , en m,
y el área del mismo Aa , en m2.
dp
ba
d SA
ba  d SA  d p
Aa 
Ilustración 4.- Lecturas para determinar el espesor del flujo
anular.

 D 2   D  2ba 
Sección 1
y1 (m)
Sección J
h j (m)
Sección 2
Segunda
(5)
Q
Aa
(6)
V Vz / sen
(7)
Vt Vz / tan 
(8)
Vz 
Tercera
θ (°)
5. Determinar la energía específica en el flujo anular (Jain,
1987), como
dSA (m)
h1 (m)
Sección 3

4
Condiciones de operación
Primera
2
4. Calcular las velocidades vertical Vz , absoluta V y la
tangencial Vt , en m/s.
Tabla 1.- Medidas en el laboratorio.
Secciones y variables
de medición
N SA (m)
Vertedor
(4)
E2 
h2 (m)
Vz2
2 2

2
2 g gD (1  t )2
(9)
h3 (m)
donde
 circulación,   Vt r , en m2/s
Memoria de cálculo
r coordenada radial, r =R –ba , en m
Para cada una de las tres condiciones de gasto de operación:
R radio del pozo R = D/2, en m
t
espesor relativo, t  ba / R , adimensional
1. Calcular el gasto Q, en m3/s, en el vertedor rectangular:
Q
2
2 g  b h3/2
3
(1)
6. Calcular la carga de presión en la sección 3 como un
promedio de las tres cargas medidas en esa sección
p3  h1  h2  h3 

  0.91
 
3

donde:
h carga sobre el vertedor, en m, h  NSA  NC
g
aceleración de la gravedad
 coeficiente de gasto, que depende de h, b, B, y w. Se
recomienda la fórmula de SIAS (Sotelo, 1990)
b
ancho del vertedor, 0.50 m
w altura del fondo del tanque de aforo a la cresta del
vertedor, 0.30m
B ancho del canal de aproximación, 1.70 m
2. Calcular la pérdida de energía que se presenta entre las
secciones 1 y J; considere yJ  hJ cos  .


Q
Q2
hr1 J  z  y1 
  y J cos  

2
2
( B1 y1 ) 2 g 
(e yJ ) 2 g 
(2)
2
(10)
donde 0.91 es la distancia vertical entre el piso y la
sección 3, en m.
7. Calcular la pérdida de carga hr , así como la eficiencia de
la disipación de la energía  , en por ciento, entre las
secciones 1-2 y 1- 3.
hr1 2  z1  y1 
Q2
  z2  E2 
( B1 y1 )2 2 g
 hr1 2 
  100
 H1 
1 2  

 
p 
Q2
hr13   z1  y1 
   z3  3 
2
 
( B1 y1 ) 2 g  

(11)
(12)
(13)
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 hr13 
  100
 H1 
13  
(14)
8. Considerar escala de longitudes Le = 20 y la fuerza de
gravedad como preponderante. Con el máximo gasto
medido, determinar para el prototipo: D, Q, y1, E1, yJ, V,
E2, H2 y p3 /.
Cuestionario
1. ¿Cuál es la función de una estructura de captación?
2. ¿Cómo varía el ángulo θ, conforme aumenta el gasto?
3. ¿Se pueden despreciar las pérdidas de energía entre las
secciones 1 y J?
4. ¿Cómo varía la carga de presión p3 / con respecto al
nivel del agua en la sección 3, si el gasto aumenta?
5. ¿Qué tan eficiente es la estructura para disipar energía?
Informe
MEMORIA DE CÁLCULO
Datos del vertedor de aforo
b
0.5
b/B
0.2941
B
1.7
w
0.3
m
NC
0.32
m
Dato para medir anillo en la sección 2
dp
0.46
cm
Datos canal de llegada y lumbrera de caída
z1
B1
e
 z (I-J)
L

DE
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0.193
m
0.096
0.0982
0.27
20
m
m
m
°
z2
z3
z piso
D
0.34907 Aint
Cálculos colector y entrada
h =N SA -N C

m
0.0653
0.0748
0.0794
0.0844
0.631
0.625
0.623
0.620
V 2 1 /2g
m
0.0471
0.0632
0.0631
0.0693
E1
m
0.1311
0.1512
0.1591
0.1693
Q
y1
y J =h J cos
V1
3
0.6325
0.6264
0.6239
0.6215
m /s
0.01558
0.01892
0.02061
0.02250
m
0.084
0.088
0.096
0.100
m
0.1043
0.1240
0.1428
0.1550
m/s
0.961
1.114
1.112
1.166
H1
m
2.621
2.641
2.649
2.659
EJ
m
0.2215
0.2452
0.2494
0.2622
h r1-J
m
0.0078
0.0042
0.0079
0.0053
HJ
m
2.613
2.637
2.641
2.654
Cálculos secciones 2 y 3
Q
ba
Aa
m3 /s
0.01558
0.01892
0.02061
0.02250
t
0.11088083
0.13678756
0.14507772
0.17098446
m
0.011
0.013
0.014
0.017
E2
m
0.3733
0.3817
0.4185
0.3753
Vz
V
Vt

m2
0.006128
0.007456
0.007873
0.009149
m/s
2.543
2.537
2.618
2.459
m/s
2.706
2.737
2.866
2.714
m/s
0.9256
1.0252
1.1655
1.1468
m2 /s
0.07941
0.08540
0.09616
0.09175
p 3 /
m
0.498
0.617
0.742
0.819
h r1-2
m
0.9278
0.9395
0.9105
0.9639
 12
h r1-3
m
2.124
2.024
1.907
1.840
 13
%
35.5
35.6
34.5
36.3
%
81.3
76.8
72.2
69.3
Prototipo, para modelo se toma Q = 0.0225 m3/s, con Le=20
se obtiene
2.49
m
1.32
m
D
Q
y1
E1
yJ
0
-0.91
0.193
0.02926
m
m
m
m
m
3.860
m /s
40.25
3
m
2
m
3.386
m
3.101
V
E2
m/s
12.14
m
7.51
H2
p 3/
m
m
33.907 16.377
Medidas en el laboratorio
vertedor
N SA
cm
38.53
39.48
39.94
40.44
canal llegada
y1
hj
cm
cm
8.4
11.1
8.8
13.2
9.6
15.2
10
16.5
h 1(máx)
cm
140.5
150.2
163
170.5
h 1(mín)
143
154.5
167
173
Respuestas al cuestionario
sección 2
d SA

cm
grados
1.53
70
1.78
68
1.86
66
2.11
65
piezómetros
h 2(máx) h 2(mín) h 3(máx)
cm
cm
137
144
136
146
154.5
153
160.5
165
163.5
172.3
175
167.5
1. ¿Cuál es la función de una estructura de captación
Regular, controlar y conducir el gasto desde el drenaje
superficial hacia los emisores que viajan a grandes
profundidades. Además, propiciar la mayor disipación de
energía durante el trayecto.
h3 (mín)
144
158
172.2
179
h prom
m
1.408
1.527
1.652
1.729
2. ¿Cómo varía el ángulo θ, conforme aumenta el gasto?
-Disminuye.
3. ¿Se pueden despreciar las pérdidas de energía entre las
secciones 1 y J?
- Sí, para los datos medidos, la pérdida es un porcentaje muy
pequeño de la energía específica de la sección 1.
4. ¿Cómo varía la carga de presión p3 / con respecto al
nivel del agua en la sección 3, si el gasto aumenta?
-Aumenta.
AMH
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5. ¿Qué tan eficiente es la estructura para disipar energía?
-Las eficiencias entre las secciones 1 y 3 son altas, entre el
69.3 y el 81.3 %
REFERENCIAS
Jain, S. Free-surface swirling flows in vertical dropshaft.
Journal Hydraulic Eng., Vol. 113, No. 10, 1987, pp. 12771289.
Rodal, E., Echávez, G. y Ruiz G. Dispositivo experimental
para verificar el diseño de descargas a gran altura a través de
lumbreras mediante flujo helicoidal. Memorias del XXIV
Congreso Latinoamericano de Hidráulica, 2010, Montevideo,
Uruguay.
Sotelo G. Hidráulica general, Vol. 1, México, Editorial
Limusa, 1990, 558 pp.
AMH