INFORME LABORATORIO HIDRAULICA 1

LABORATORIO No 3

ORIFICIO DE DESCARGA LIBRE

INTRODUCCION

Los medidores del caudal circulante por tuberías más simples (y no por ello menos fiables) son los que están basados en la imposición de un estrechamiento en el conducto, y en la medida de la correspondiente caída de presión. Esta diferencia de presión se relaciona fácilmente con el caudal circulante mediante las ecuaciones de continuidad y de Bernoulli.

Sin embargo el caudal así obtenido ha de ser corregido mediante un coeficiente de derrame, Cd, que tenga en cuenta que en el flujo real hay una pérdida de carga (mientras que la ecuación de Bernoulli presupone fluido no viscoso o ideal) y que la sección de paso efectiva por la zona estrecha se ve algo reducida por el efecto denominado de vena contracta. Estos dos efectos se cuantifican respectivamente mediante los llamados coeficientes de velocidad, Cv, y coeficiente de contracción, Cc.

El objeto de la presente práctica es el de visualizar y cuantificar la incidencia de esos dos fenómenos sobre el flujo a través de este tipo de medidores. Sin embargo, para facilitar el estudio, se contemplará el caso particular de un orificio directamente practicado sobre la pared de un depósito con fluido a presión (agua).

Se compararán los caudales ideales y reales, además de otras variables, para obtener los correspondientes valores de los coeficientes de velocidad, contracción y derrame.

OBJETIVO GENERAL

El objeto de esta práctica es el del estudiar el comportamiento de un orificio teniendo en cuenta la aplicación de las ecuaciones de continuidad y energía. Realizar comparaciones entre los valores obtenidos en la práctica y los tabulados en los libros.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Identificar el funcionamiento y manejo de la instalación para recopilar los datos necesarios en la realización de la práctica.

Determinar el coeficiente de descarga.

Conocer la distribución de presiones sobre la pared de la tubería y sobre la pared del orificio.

Comprobar la ecuación de la trayectoria del chorro.

Determinar el coeficiente de contracción (Cc) y el coeficiente de velocidad (Cv).

Realizar el informe con los datos tomados en el laboratorio dando respuesta a las preguntas que se formulan para esta práctica.

MARCO TEÓRICO

PRUEBA DE ORIFICIO

Entre los aditamentos más comúnmente usados para medir descarga se tienen los orificios, el cual consiste en una abertura, generalmente circular en una de las paredes de un tanque. Una de sus características es el espesor de la pared la cual es muy pequeña comparado con el tamaño de la abertura.

El flujo que se genera en un orificio nunca se encuentra encerrado por un límite sólido debido al comportamiento de la velocidad del mismo, cuya característica es generar un perfil de velocidad curvo siendo mayor en el centro.

Cuando las líneas de flujo convergen a un orificio continúan acercándose aun después de pasar el orificio hasta que esas líneas de flujo se desplazan de una manera paralela.

Teóricamente este punto se encuentra a una distancia igual al radio del orificio a partir de este. Este punto de área mínima para el chorro se conoce como vena contracta y a partir de dicho flujo se convierte en divergente por efectos de la fricción entre las líneas de flujo.

VELOCIDAD DEL CHORRO

Se define como velocidad promedio a la velocidad que se presenta en la vena contracta, se puede afirmar que la velocidad en este punto es prácticamente constante con excepción de una disminución que se presenta en la parte exterior.

Con respecto a la presión es igual a lo ancho del diámetro del chorro donde las líneas de flujo sean paralelas, que además debe ser igual al medio que rodea al chorro en esa sección.

COEFICIENTE DE CONTRACCION

La relación entre el área del chorro y el área del orificio se conoce como coeficiente de contracción:

A=C_C×A_0 Ec (1)

Dónde:

A= área del chorro

Cc= coeficiente de contracción

A0= área del orificio

COEFICIENTE DE DESCARGA

La relación entre el área del chorro y el área del orificio se conoce como coeficiente de contracción:

V=Cv×Vi Ec (2)

Dónde:

V = velocidad real del orificio

Cv = coeficiente de velocidad

Vi = velocidad ideal

COEFICIENTE DE DESCARGA

Es la relación existente entre la descarga real y la descarga ideal:

Q=Cd×Qi Ec (3)

Dónde:

Q = caudal real

Cd = coeficiente de descarga

Qi = caudal ideal

Se sabe que,

Q=A×V Ec (4)

Y que Q ideal es

Qi=A_0×Vi Ec (5)

Por lo tanto

Cd=Cc×Cv Ec (6)

DETERMINACION TEORICA DE LOS COEFICIENTES

La manera más fácil de determinar el coeficiente de contracción consiste en el uso de un calibrador para medir el diámetro del chorro en la vena contracta para luego compararlo con el área del orificio. El coeficiente de contracción es muy sensible a pequeñas variaciones en el borde de ataque del orificio. Si modificamos levemente los bordes del orificio el coeficiente de contracción también variará.

La velocidad promedio de un chorro libre puede ser determinada usando un tubo de Pitot o también midiendo el caudal y dividirlo por el área transversal del chorro. La velocidad también puede ser determinada a partir de las coordenadas de la trayectoria del chorro.

El coeficiente de descarga es el que se puede obtener más fácilmente y con gran precisión. Es también el que genera el valor más práctico. Para un líquido de caudal Q se puede determinar por cualquier método de volumen o peso a través del tiempo.

Una vez conocidos dos de los coeficientes, el tercero puede ser deducido de los anteriores.

Relación ideal de flujo

Qi=AiVi=A√((2g∆H) ) Ec (7)

Q=A V=CcA_0 (CcA√((2g∆H) )) Ec (8)

Cd=Q/Qi=CcCv Ec (9)

Donde ΔH es la diferencia en cabeza de energía entre la sección aguas arriba y la sección mínima del chorro. Se debe recordar que la cabeza total de energía está dada por la ecuación de Bernoulli.

H=Z+P/γ+V^2/2g Ec (10)

Si la descarga es a la atmósfera

...