PROGRAMA CALENDARIO Y CONDICIONES DE LA ASIGNATURA HIDRAULICA BASICA Grupo 05

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1 PROGRAMA CALENDARIO Y CONDICIONES DE LA ASIGNATURA HIDRAULICA BASICA Grupo 05 4 créditos (192 horas) Asignatura NO habilitable Requisito MECÁNICA DE FLUIDOS Segundo semestre de 2010 Lunes 11:00 12:00 Martes y jueves 11:00 a 13:00 Edificio 409 Aula 304 (Auditorio) Profesor: Ing. Julio César Cañón Rodríguez jccanonr@bt.unal.edu.co 1. PRESENTACION La Ingeniería Civil es responsable del diseño, construcción, operación, mantenimiento y control de sistemas de captación, almacenamiento, transporte y distribución de fluidos (gases y líquidos), dentro de los cuales el agua ocupa un lugar especial por su importancia para la sustentabilidad de la vida humana y para el desarrollo de procesos industriales básicos para la economía de los países. El acceso de la humanidad al agua de calidad apta para el consumo, el uso de los recursos hídricos como fuente de energía y como insumos para la industria son demandas que comprometen directamente a los profesionales de la ingeniería civil, tanto en el ejercicio específico de su profesión como en desarrollo de proyectos interdisciplinarios en los cuales concurren otros especialistas. Los proyectos relacionados con los recursos hídricos tienen significativos efectos económicos, ambientales y sociales y, por esa razón, deben ser abordados con criterios multidimensionales centrados, para el caso de los ingenieros civiles principal pero no exclusivamente, en las componentes científica y técnica que sirven de soporte a la especialidad hidráulica. Dentro del Plan de Estudios del Programa de Ingeniería Civil de la Universidad Nacional de Colombia se incluye una actividad curricular en la cual se ofrecen los elementos básicos para la comprensión de los problemas relacionados con el uso responsable de los recursos hídricos. El campo de acción de los ingenieros civiles en esta área es amplio y de creciente importancia y adicionalmente, como parte de la propuesta de formación permanente de los ingenieros, se ofrecen numerosas opciones de estudios de posgrado sobre temas relacionados con la gestión de recursos hidráulicos. En ambos casos, tanto en el ejercicio profesional como en la continuación del aprendizaje autónomo permanente, es muy importante la fundamentación adquirida en el curso de Hidráulica Básica cuyas características se describen a continuación. 2. OBJETIVOS Y ALCANCES El diseño, desarrollo y evaluación de la asignatura están dirigidos a conseguir que los estudiantes: Conozcan los conceptos básicos sobre movimiento de fluidos a través de sistemas de tuberías y conductos abiertos. Identifiquen y caractericen los principales elementos de un sistema de captación, almacenamiento, conducción, instrumentación, control y distribución de fluidos Identifiquen los criterios e instrumentos de cálculo y selección de equipos hidráulicos (bombas y turbinas) y caractericen sus relaciones con la energía y el costo de los sistemas. Incrementen su competencia para localizar, organizar y utilizar información necesaria para el desarrollo de proyectos de ingeniería relacionados con recursos hidráulicos identificando y aplicando los criterios fundamentales de racionalización, equidad, sostenibilidad, eficiencia y eficacia. Mejoren su capacidad para reconocer y valorar las relaciones existentes entre las diferentes variables (políticas, sociales, técnicas, económicas y ambientales) involucradas en el diseño de obras hidráulicas.

2 2 3. METODOLOGIA Las alternativas pedagógicas y didácticas están principalmente orientadas al estímulo y fortalecimiento de la actividad autónoma de los estudiantes para articular los conceptos teóricos y las aplicaciones de ingeniería. Las opciones metodológicas propuestas para el curso, incluyen: Presentaciones magistrales de los elementos teóricos, con empleo de apoyos gráficos, ayudas audiovisuales y referencias actualizadas directamente utilizadas en las sesiones presenciales y disponibles en la plataforma virtual. Lecturas complementarias y ampliación de temas de profundización propuestos al Curso como extensión de las sesiones presenciales. Trabajo en equipo con asistencia docente en un proyecto de aplicación de los conceptos teóricos enunciados en el curso. Prácticas de laboratorio y ejercicios con apoyos computacionales Pruebas escritas programadas y definidas como componentes del proceso de evaluación. En todas las sesiones se formularán preguntas y se asignarán ejercicios sobre los temas expuestos por el profesor o sobre las lecturas y actividades asignadas. El material de lectura colocado en la plataforma virtual Blackboard debe ser revisado, complementado, corregido y actualizado permanentemente por los estudiantes. Para preparar convenientemente las sesiones de tipo presencial y mejorar las perspectivas de participación en clase los estudiantes encontrarán semanalmente en la plataforma virtual una agenda con el resumen del programa específico de las sesiones correspondientes en el cual se detallarán los contenidos, referencias y actividades previstas. 4. CONTENIDO A. RESUMIDO El curso aborda como temas principales: 1. Estudio de propiedades básicas de los fluidos en movimiento. 2. Análisis de las variaciones de energía y medición de presiones y caudales. 3. Caracterización del efecto de accesorios y dispositivos de control e instrumentación en la energía del flujo 4. Análisis del efecto de la inclusión de máquinas hidráulicas en los sistemas de conducción de fluidos. 5. Estudio de principios básicos del flujo en conductos abiertos B. CONTENIDO DETALLADO (4 unidades) UNIDAD 1: FLUJO REAL Y DISIPACION DE ENERGIA 1. Concepto de fluido ideal y fluido real. 2. Ecuación general de esfuerzo de corte y distribución. 3. Concepto de capa límite en conductos cerrados y abiertos. 4. Experimentos de Reynolds, características del flujo laminar, características del flujo turbulento: teoría de longitud de mezcla de Prandtl- concepto de tubería hidráulicamente lisa y rugosa, distribución exponencial de velocidad. 5. Coeficiente de fricción de Darcy-Weisbach. 6. Relaciones entre variables geométricas, cinemáticas y mecánicas. Diagrama de Moody 7. Ecuación de Darcy-Weisbach para la fricción en tuberías y canales 8. Otras ecuaciones para el cálculo de la fricción: Hazen-Willians, Manning. Características y limitaciones. 9. Plano de carga total, plano piezométrico, plano de referencia. 10. Disipación de energía por accesorios. Coeficientes de consumo. Longitudes equivalentes. 11. Disipación de energía por acción combinada de fricción y accesorios. 12. Ejercicios de aplicación 13. Prácticas de laboratorio 1. Revisión y actualización de conceptos básicos de Mecánica de Fluidos 3. Preparación para las prácticas de laboratorio

3 3 UNIDAD 2: SISTEMAS DE CONDUCCION 1. Sistemas de tuberías: sistemas simples (concepto de tubería equivalente) 2. Sistemas en serie 3. Sistemas en paralelo 4. Sistemas de tuberías ramificadas 5. Redes de distribución: métodos de análisis 6. Fundamentos del flujo en canales 7. Geometría hidráulica 8. Flujo uniforme en canales: características y ecuaciones fundamentales 9. Ejercicios de aplicación 10. Prácticas de laboratorio 1. Recaudo de información técnica y comercial relacionada con tuberías, accesorios e instrumentos de medición 3. Preparación para las prácticas de laboratorio UNIDAD 3: SISTEMAS DE BOMBEO 1. Elementos básicos de un sistema de bombeo 2. Caracterización de la estación de bombeo: condiciones estáticas y dinámicas. Curva de la estación 3. Características de los equipos de bombeo. 4. Teoría general de las turbomáquinas: ecuación de Euler en términos de carga, potencia y par, curva teórica y real de bombas centrífugas 5. Concepto de eficiencia en bombas, obtención experimental de las curvas características y aplicación del análisis dimensional. Fuentes de energía. Costo del bombeo 6. Selección del tipo de bomba con base en el diámetro del impulsor y la potencia del motor. 7. Análisis de estaciones de bombeo: curva de la estación y compatibilidad con la curva característica de la bomba, punto de trabajo y variación del mismo. 8. Análisis del fenómeno de cavitación en bombas centrífugas: definición del NPSH disponible y NPSH requerido. 9. Análisis de sistemas con bombas en: serie y en paralelo. 10. Análisis de sistemas de bombeo en tuberías ramificadas. 11. Ejercicios de aplicación 12. Práctica de laboratorio 1. Recaudo de información técnica y comercial relacionada con equipos de bombeo y fuentes motrices, incluidos costos de instalación, operación, mantenimiento y costos de energía 3. Revisión de características de una estación de bombeo: construcción, operación e Instrumentación 4. Preparación para las prácticas de laboratorio UNIDAD 4: TURBINAS HIDRAULICAS 1. Estructuras fundamentales de un sistema de generación hidroeléctrica. 2. Clasificación de las turbinas hidráulicas y características generales: curvas características y aplicación del análisis dimensional. 3. Turbinas de impulso, 4. Turbinas de reacción, turbinas de propulsión. 5. Análisis de sistemas de generación hidroeléctrica. 6. Ejercicios de aplicación 7. Práctica de laboratorio. 1. Recaudo de información técnica y comercial relacionada con turbinas y generadores, incluidos costos de instalación, operación y mantenimiento. 3. Revisión de características de una pequeña central hidroeléctrica: construcción, operación e Instrumentación 4. Preparación para las prácticas de laboratorio

4 4 5. EVALUACION Y CALIFICACIONES La evaluación es un proceso permanente en el cual participan activamente los estudiantes y el profesor a través de diferentes mecanismos. Las preguntas en clase, los ejercicios y la participación permanente de los estudiantes hacen parte de este esquema dinámico y colectivo. Los requisitos curriculares y el efecto acumulado del Programa de Ingeniería se someten a evaluación a través de las referencias a asignaturas y actividades previas al Curso. El número mínimo de horas de asistencia presencial es de 72. La calificación como expresión cuantitativa de la evaluación, cubrirá tanto los elementos discutidos en las presentaciones magistrales, como el resultado de la participación del estudiante en el Curso; bien sea a través del complemento mediante la lectura, el desarrollo de ejercicios prácticos, las actividades de laboratorio o la preparación de un Proyecto. La calificación cubre las siguientes actividades: ACTIVIDAD VALOR Un examen escrito e individual sobre todos los temas tratados en las unidades 1 y 2 (incluidas las prácticas de laboratorio) (semana 8) 20% Un examen escrito e individual sobre todos los temas tratados en la unidad 3 (incluidas las prácticas de laboratorio) (semana 12) 20% Un examen final, escrito e individual sobre todos los temas cubiertos en el Curso (semana 15) 20% Un proyecto, realizado en grupos de cuatro (4) estudiantes, sobre el diseño (componentes hidráulicas, estructurales, socioeconómicas y ambientales) de un proyecto de captación, almacenamiento, transporte y distribución de agua a partir de información topográfica, demográfica y económica real. 40% Informe de avance del proyecto (semana 9) 10% Informe Final (semana 14) 20% Exposición pública 10% IMPORTANTE: Los criterios que se emplean para evaluar y calificar los trabajos escritos, los informes, el producto de los ejercicios y las exposiciones pueden consultarse en la plataforma virtual de apoyo al Curso 6. REFERENCIAS 1. Tokaty, G.A. (1994). A History and philosophy of fluid mechanics. Dover Publications. New York. 2. Daugherty, Franzini, Finnemore (1999). Fluid Mechanics with Engineering Applications. Mc Graw Hill 3. Giles, R. (1986) Mecánica de los Fluidos e Hidráulica Mc Graw Hill. México 4. Chaudry, M.H (1993) Open Channel Flow. Prentice Hall. New Jersey 5. Duarte, C (2008). Hidráulica General. Universidad Nacional de Colombia, Facultad de Ingeniería, Bogotá 6. Shames, I. (1995) Mecánica de Fluidos. Mc Graw Hill Co. 7. Sotelo, G. (2006). Hidráulica General. Limusa. México 8. White, F. (1998). Mecánica de Fluidos. Mc Graw Hill Book Co. 9. Cengel, J; Cimbala, J. (2006) Mecánica de Fluidos: Fundamentos y Aplicaciones. Mc Graw Hill. México 10. Mataix, C. (2007) Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas. Alfaomega. México 11. Karassik, I. (1986). Manual de Bombas. Mc Graw Hill Co. 7. REFERENCIAS INICIALES EN LA RED 1. Portal de la Asociación de Ingenieros Civiles de los Estados Unidos ASCE. Incluye información general sobre educación en ingeniería y ejercicio profesional y muestra novedades bibliográficas y reseñas de libros de interés para estudiantes e ingenieros. Para los mismos fines puede consultarse también Portal de la American Water Works Association AWWA que incluye referencias y novedades bibliográficas en el área de recursos hidráulicos Sitio con información de interés sobre referencias bibliográficas relacionadas con Mecánica de Fluidos e Hidráulica Básica

5 5 8. ATENCION DE CONSULTAS Por correo electrónico: Los materiales del Curso estarán instalados en la plataforma Blackboard Atención personal: lunes 09:00 a 11:00 Laboratorio de Hidráulica Edificio 409 Oficina 303 Ing. Julio César Cañón Rodríguez Profesor Asociado Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de Colombia Sede Bogotá Carrera 30 No Edificio 409 Oficina ext Ciudad Universitaria, lunes 2 de agosto de 2010