TITULO: ANÁLISIS EXPERIMENTAL DEL COMPORTAMIENTO DE FLUJO PARA COMPUERTAS RADIAL Y PLANA UTILIZANDO UN CANAL HIDRODINÁMICO

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1 INFORME TÉCNICO FINAL DE PROYECTO DE INVESTIGACIÓN TITULO: ANÁLISIS EXPERIMENTAL DEL COMPORTAMIENTO DE FLUJO PARA COMPUERTAS RADIAL Y PLANA UTILIZANDO UN CANAL HIDRODINÁMICO CLAVE DEL PROYECTO: DIRECTOR DE PROYECTO: ING. RAÚL MANJARREZ ANGELES PROFESOR PARTICIPANTE: M. en C. MARCO ANTONIO ARIAS MORALES ALUMNO PIFI PARTICIPANTE: LUIS JORGE MORALES AVALOS RESUMEN

2 ANÁLISIS EXPERIMENTAL DEL COMPORTAMIENTO DE FLUJO PARA COMPUERTAS RADIAL Y PLANA UTILIZANDO UN CANAL HIDRODINÁMICO En este trabajo se describe la utilización de un equipo denominado Canal Hidrodinámico de Pendiente Variable, que permite a través de la instalación de una compuerta plana vertical y una compuerta radial, observar, analizar y mostrar en forma objetiva el comportamiento hidráulico de las compuertas, capacidad de gasto, así como obtener sus coeficientes de descarga sumergida. Con este aparato se pueden simular gastos o caudales de diferentes magnitudes y hacerlos pasar por debajo de las compuertas plana y radial. El proceso que se reproduce en esta instalación, es muy útil en la enseñanza de las Obras Hidráulicas, con lo cual los alumnos que cursan esta materia logran una mayor comprensión y entendimiento del comportamiento de los fenómenos que se presentan en las compuertas que controlan el flujo en las obras de excedencia. INTRODUCCIÓN

3 El agua es el elemento básico para la vida, sin embargo en ocasiones puede resultar perjudicial sobre todo cuando no hay control sobre ella. Es por eso que este liquido debe ser bien administrado para planificar, controlar y de esta forma lograr que perdure, esto se ha logrado utilizando el ingenio humano en el diseño y construcción d sistemas hidráulicos, mismos que forman parte importante de la infraestructura de un país, la cual permite desempeñar las diferentes actividades económicas para su desarrollo. Los sistemas hidráulicos están formados por presas, canales, puertos y en general por todas aquellas obras que aprovechan el agua para diferentes fines y que basan en ella su razón de ser. En la mayoría de estos sistemas destaca sobremanera el uso de las compuertas hidráulicas, las cuales hacen posible el control de caudales, independientemente del destino que tengan, es decir; en el caso de las presas ya sean derivadoras que desvían efluentes, almacenadoras que embalsan o reguladoras que retardan escurrimientos, las compuertas juegan un papel importante en la regulación de caudales. Las compuertas suelen trabajar en conjunto con obras de demasías y tienen la función de controlar y medir el flujo en los vertedores; en numerosas ocasiones se implementan en canales, que pueden ser de riego, navegación. Otros fines de uso de las compuertas suelen ser: En puertos, donde aíslan a los muelles cuando la marea es alta. Esclusas, cuando una serie de compuertas son diseñadas para que una embarcación pase de un nivel a otro. Como control de inundaciones en los casos de ciudades de los países bajos: Amersfoort y Caimbra (Holanda) en donde las compuertas las limitan del mar y de los efectos de las inundaciones. Es por eso que este trabajo estudia las capacidades de flujo de las compuertas apuntando a los coeficientes de descarga sumergida que estas presentan.

4 MÉTODOS EXPERIMENTALES PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. En la época actual ya casi no hay necesidad de hacer énfasis en la importancia de las obras de excedencia controladas por compuertas, las que se deben concebir como verdaderas estructuras de seguridad de las presas. Sin embargo, ha habido muchas fallas en el caso de las presas debido a la insuficiente capacidad de descarga o a defectos en el diseño de la propia obra, originando grandes daños, tanto para la presa como para las vidas o los bienes materiales aguas abajo de la misma. También es necesario controlar el caudal a manejar para los diversos usos de la presa, a la salida de las obras de toma, para lo cual también se utilizan compuertas. Por tal motivo se ha tomado como tema de tesis la recopilación de toda la información concerniente a las obras de control de las presas, clasificándolas según su uso y tipo; así como observar el comportamiento hidráulico de diferentes clases de compuertas para la obtención de los coeficientes de descarga o caudal (Cd) con base a modelos de laboratorio. HIPÓTESIS. Los coeficientes de descarga o gasto (Cd) para las compuertas plana y radial bajo la condición de descarga sumergida, con base en modelos de laboratorio son válidos a través de la experimentación. OBJETIVO GENERAL. Analizar el comportamiento de flujo en compuertas, como lo son la compuerta tipo radial y la tipo plana. OBJETIVOS PARTICULARES. Observar el comportamiento hidráulico de las compuertas, capacidad de gasto, así como obtener sus coeficientes de descarga sumergida y, salto hidráulico.

5 VARIABLES DE INVESTIGACIÓN. Variable independiente: Área hidráulica bajo la compuerta, gravedad, carga hidráulica aguas arriba de la compuerta. Variable dependiente: Caudal de descarga bajo la compuerta. JUSTIFICACIÓN DEL TEMA. La importancia que tiene una compuerta segura no se puede exagerar; muchas de las fallas de las estructuras hidráulicas se han debido a obras de demasías y control mal proyectadas o de capacidad insuficiente. En el caso de las presas, después de determinar el nivel del embalse en condiciones normales, hay que establecer los procedimientos que aseguren que este nivel no se supere, las compuertas son necesarias para descargar el excedente de agua para que este no dañe la estructura. La amplitud de la capacidad es de extraordinaria importancia sobre todo en las de tierra y enrocamiento, que tienen el riesgo de ser destruidas si son rebasadas; mientras que, las presas de concreto pueden soportar un rebasamiento moderado. Por su parte, en los sistemas de riego por canales, se componen de una obra de toma con compuerta que conduce el agua de una fuente natural y las obras subsecuentes (canales secundarios y compuertas) que guían el agua hasta las parcelas de cultivo. DELIMITACIÓN DEL TEMA. En este trabajo desarrollamos la experimentación con base en modelos de laboratorio de las compuertas plana y radial para la determinación de coeficientes de descarga sumergida. METODOLOGÍA. La metodología usada para la elaboración de este documento es mixta, ya que la realizamos en dos etapas, principalmente la recopilación de información de

6 los diversos tipos de compuertas y la segunda etapa que consiste en el análisis del funcionamiento hidráulico para la obtención de los coeficientes de descarga con base en modelos de laboratorio. El método deductivo es el que se utiliza en la investigación, esta se desarrolla de lo general a lo particular, principalmente llevamos a cabo una investigación documental elaborando un estudio de la compuertas, donde se incluye desde los antecedentes hasta las ecuaciones que gobiernan el funcionamiento hidráulico de las mismas. El nivel de investigación que utilizamos es explicativo y la participación es experimental ya que los coeficientes de gasto que se obtienen son a través de ensayos de laboratorio. RESULTADOS E IMPACTO En el presente trabajo se realizo la calibración de las compuertas con base a modelos de laboratorio como son: plana y radial; lo cual muestra en forma objetiva el funcionamiento hidráulico de las mismas, variando el caudal o gasto que pasa a través de ellas y midiendo el tirante generado con diferentes aberturas; obtenemos la información necesaria para la determinación de los coeficientes de descarga en cada uno de ellos. Para la compuerta plana los coeficientes de descarga en general varían de Cd = como máximo a Cd = como mínimo, cuyos valores describen descarga sumergida. Particularmente el promedio de los coeficientes con diferentes aberturas que van de 2 cm. a 8 cm. es Cd prom. = En el caso de la compuerta radial el coeficiente mínimo de descarga es Cd = y el máximo es Cd = que también son característicos de descarga sumergida y el promedio de los coeficientes de descarga es Cd prom. = Los valores de los coeficientes promedio de descarga decrecen mientras la abertura de la compuerta aumenta a excepción de las aberturas de 6 cm. de la compuerta radial donde el coeficiente Cd aumenta, y de 5 cm. de la compuerta plana cuyo Cd también se incrementa, pero en este caso los valores Cd

7 (promedio) para aberturas posteriores disminuyen nuevamente. En general, entre mas alta es la abertura de la compuerta menor es el valor de Coeficiente de descarga, y a su vez acepta mayor cantidad de gasto para la descarga sumergida. Lo anterior índica que el coeficiente de descarga (Cd) varia directamente proporcional al gasto (Q) e inversamente proporcional a la abertura (a). Es importante destacar que los valores de los coeficientes Cd de descarga de la compuerta radial son mayores que los de la compuerta plana, lo que indica que la compuerta radial tiene una capacidad de descarga mayor que la plana lo que reitera el hecho de que las compuertas radiales son aptas para grandes obras. Y que la compuerta plana es mas susceptible de presentar descargas sumergidas. Con base en el análisis anterior se puede incluir que la hipótesis establecida al principio de este trabajo se cumple y que a través de la experimentación con modelos de laboratorio se pueden validar coeficientes de descarga o gasto y llegar al objetivo del mismo, que consistió en determinar tales coeficientes, además de observar el funcionamiento hidráulico de cada uno de ellos. Para la compuerta plana y con una abertura de 20 mm hasta los 2.5 m 3 /hr. De gasto se formo el Salto Hidráulico, para los posteriores gastos se barrio dicho salto; hasta un gasto de 5.50 m 3 /hr. En el gasto de 6.0 m 3 /hr. El salto se disipo. Para la compuerta radial y con una abertura de 20 mm hasta los 3.5 m 3 /hr. De gasto se formo el Salto Hidráulico, para los posteriores gastos se barrio dicho salto; hasta un gasto de 7.0 m 3 /hr. En el gasto de 7.5 m 3 /hr. El salto se disipo. Con los resultados anteriores, se obtuvieron los parámetros de gasto que permiten realizar la práctica de laboratorio y con ello poder realizar con precisión la misma, y obtener los resultados indicados a los alumnos.