Análisis de problemas hidráulicos, tipos de flujo y estructuras de aforo mediante la construcción de seis equipos experimentales en el canal de pendiente variable - UPAO

Abstract

Ante la importancia que representa el estudio de problemas hidráulicos y el comportamiento de los flujos ante estructuras hidráulicas en canales. Se presenta este trabajo de investigación, donde se aplica la medición de caudales, el análisis del comportamiento de la energía específica, la clasificación de los tipos de flujos; para las diferentes condiciones que se pueden presentar en las estructuras de aforamiento. Es por tal, que primero analizamos de forma experimental el funcionamiento que tiene dichos equipos, ayudados por un canal artificial con pendiente variable, ubicado en el laboratorio de Hidráulica, de la Universidad Privada Antenor Orrego, usando un rango de caudales entre 4.26 lt/s a 22.6 lt/s. Los equipos experimentales que se construyeron fueron los siguientes: para la medición de caudales, se consideró un Vertedero tipo Cipolletti, un Orificio de pared delgada y un Aforador Parshall, para el estudio de energía específica, se construyó un Aforador Venturi y un Vertedero de Pared Gruesa y para el estudio de los tipos de flujo se fabricó un Vertedero tipo Crump. Sobre la base de la formulación teórica existente y los resultados experimentales obtenidos, se propone un método para encontrar las ecuaciones de calibración propias de los equipos construidos. Además se presenta la comparación de los resultados entre ambos métodos, para así obtener un mejor criterio sobre cuál utilizar. Presentándose las siguientes ecuaciones para la medición de caudales para cada equipo construido: - Vertedero Cipolletti : 𝑄𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜=0.5662∗𝐻1.4077 - Orificio de pared delgada : 𝑄𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜=1.9856∗𝐻0.5722 - Aforador Parshall : 𝑄𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜=0.2261 𝐻𝑎1.5393 - Aforador Venturi : 𝑄𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜=0.2065 𝐻𝑜1.5064 - Vertedero de pared gruesa : 𝑄𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜=0.5236 𝐻1.461 - Vertedero tipo Crump : 𝑄𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜=0.4266 ℎ1.6643 Dónde: los valores de H, Ha, Ho y h, son las alturas de carga de agua medidas al principio de cada equipo. Estas ecuaciones muestran una buena aproximación a los valores de descarga medidos experimentalmente. Además, se realizó el análisis de las condiciones críticas que presenta el aforador Venturi, en la sección más estrecha, donde se muestra las condiciones de tirante crítico y energía mínima, del mismo modo con el vertedero de pared gruesa, que muestra a una proximidad de 15 cm desde el inicio del vertedero, estas condiciones. Con el vertedero tipo Crump se logró visualizar perfiles tipo M1, C1, S1 de acuerdo a como iba aumentando la pendiente del canal, y los resultados se compararon con los métodos teóricos existentes. Por último, se elaboraron guías didácticas experimentales, a partir de los análisis realizados, los cuales ayudaran a los estudiantes a comprender mejor los fenómenos hidráulicos de una forma didáctica; y haciendo uso de dispositivos que pueden ayudar a mejorar su experiencia profesional.

Given the importance that represents the study of hydraulic problems and behavior of flows to hydraulic structures in channels. This research work makes the flow measurement, the analysis of the behavior of specific energy and the classification of the types of flows, for the various conditions that can occur in different types of water measurement structures. It is by such that first is analyzed experimentally the operation that has these equipment, aided by an artificial channel with variable slope, located in the Hydraulic Laboratory of the Antenor Orrego Private University, using a flow range between 4.26 lt/s to 22.6 lt/s. The experimental equipment that was constructed was the following: for the measurement of flows, we considered a Cipolletti Weir, a thin wall Orifice and a Parshall Flume; for the specific energy study, a Venturi Flume and a Broad Crested Weir was constructed and for the study of flow types was manufactured a Crump Weir. Based on the existing theoretical formulation and the experimental results obtained, a method is formulated to find the calibration equations of the built equipment. They also compare the results between both methods, to obtain a better criterion on which to use. The following equations for the flow measurement for each equipment are shown below: - Cipolletti Weir : 𝑄𝑔𝑒𝑛=0.5662∗𝐻1.4077 - Orifice : 𝑄𝑔𝑒𝑛=1.9856∗𝐻0.5722 - Parshall Flume : 𝑄𝑔𝑒𝑛=0.2261 𝐻𝑎1.5393 - Venturi Flume : 𝑄𝑔𝑒𝑛=0.2065 𝐻𝑜1.5064 - Broad Crested Weir : 𝑄𝑔𝑒𝑛=0.5236 𝐻1.461 - Crump Weir : 𝑄𝑔𝑒𝑛=0.4266 ℎ1.6643 Where: the values of H, Ha, Ho and h, are the discharge head measured at the beginning of each equipment. This equation showed good agreement with the measured values of discharge. In addition, the analysis of the critical conditions presented by the venturi flume was performed in the narrower section, where the critical depth and minimum energy conditions are shown, in the same way with the Broad crested weir, which shows a proximity of 15 cm from the start of the weir, these conditions. With the Crump landfill, profiles M1, C1 and S1 were visualized according to how the slope of the channel was increasing, and the results were compared with the existing theoretical methods. Finally, experimental didactic guides were developed based on the analyzes carried out, which will help students to better understand the hydraulic phenomena in a didactic way; and making use of devices that can help improve your work experience.