Modelo Hidraulico 723w32

FACULTAD DE ARQUITECTURA, URBANISMO E INGENIERÍA CIVIL

“MODELOS HIDRAULICOS” Estructuras Hidráulicas UGAZ MEDINA, Gustavo Rodolfo. CAJAN HERNANDEZ, Mauricio Alonso. GALVEZ HEREDIA, Luis Gustavo.

INTRODUCCION La modelación se ha desarrollado notablemente en el campo de la hidráulica, mediante pequeñas representaciones de estructuras y máquinas, por los cuales se ha llegado a enunciar principios fundamentales en la hidráulica; Para la construcción de un modelo se debe tomar en cuenta la importancia de la estructura que se está estudiando.

ANTECEDENTES HISTORICOS Es durante el último medio siglo, cuando se han desarrollado métodos por los cuales, como resultado de experimentos realizados en modelos a escala reducida, es posible predecir la conducta de una estructura o prototipo. Leonardo da Vinci (1452-1519) mencionó hace seis siglos, en forma categórica, gracias a su excelente capacidad de observación, análisis y síntesis: “Acuérdate, cuando trates del agua, de alegar primero una experiencia antes que una razón”. Este irable principio mantiene total vigencia.

A. Necesidad de un modelo. Un punto a tenerse en cuenta para tomar una decisión es la importancia de la estructura que se está estudiando.

B. El costo del modelo

EL MODELO COMO PARTE DEL DISEÑO.

A veces se presentan problemas cuando se trata de determinar el costo de un modelo. La investigación en modelo se encarga a un laboratorio de hidráulica mediante un contrato.

C. Justificación técnica de un modelo Las más importantes es la tridimensionalidad; Adicionalmente, el modelo permite apreciar el funcionamiento de la estructura en tres dimensiones.

D. Oportunidad de un modelo Cuando la investigación en modelo es necesaria debe formar parte del estudio definitivo y realizarse simultáneamente con él.

LA MODELACION HIDRAULICA

La modelación hidráulica es una ciencia que se basa en principios físicos establecidos.

Obras Hidráulicas

Cavitación

Erosión / Sedimentación

Transporte “real” de sólidos

Determinación de la eficiencia de disipadores especiales de energía, de estructuras de separación de caudales en sistemas combinados de alcantarillado.

Simulación del fenómeno y de la estructura del flujo bifásico, con zonas de cavitación.

Influencia de la turbulencia y de la floculación en el proceso de sedimentación.

Análisis del flujo de lodos a través de canales o de tuberías a presión.

CLASES DE MODELOS MODELOS MATEMATICOS En los modelos matemáticos deben tomarse en cuenta los siguientes factores: - Exactitud de los datos iniciales - Tipo de fenómeno a estudiar - Exactitud de las ecuaciones que rigen el fenómeno - Forma de aproximar las ecuaciones y evolución del modelo

MODELOS FISICOS REDUCIDOS

Un modelo físico reducido es una representación a escala de una situación hidráulica de flujo, se puede usar para predecir el comportamiento del sistema en algún aspecto deseado

SEMEJANZA HIDRAULICA A. SEMEJANZA GEOMÉTRICA

» En un sentido estricto, la similitud geométrica implica que la proporción de todas las longitudes correspondientes, en los dos sistemas, deben ser las mismas. Así, si ciertas longitudes seleccionadas en las direcciones X, Y Z.

SEMEJANZA HIDRAULICA B. SEMEJANZA CINEMATICA La similitud cinética dentro los sistemas hidrológicos se debe considerar dos sistemas hidrológicos guardan similitud cinemática si la red de drenaje natural tiene la misma conformación geométrica, esto es, cuando la Relación de Confluencia adopta un valor equivalente o idéntico en ambos sistemas

SEMEJANZA HIDRAULICA C. SEMEJANZA DINAMICA Entre modelo y prototipo se desarrolla la siguiente relación de fuerzas:

Esta ecuación expresa la ley general de la semejanza dinámica entre modelo y prototipo y se le conoce con el nombre de ecuación newtoniana.

ESCALAS EN MODELOS HIDRAULICOS  ESCALA -

La escala es la relación que existe entre una magnitud del prototipo y su correspondiente en modelo. Se representa con el símbolo de la variable tratada, a la cual se añade el subíndice e.

-

Se denomina escala de longitudes aquella relación que guarda el cociente de longitudes homólogas correspondientes, la cual debe ser constante.

ESCALAS EN MODELOS HIDRAULICOS  CONSIDERACIONES PARA SELECCIONAR LA ESCALA - Para la selección de escalas se requiere no sólo el conocimiento profundo de las circunstancias teóricas aplicables, sino también las vinculadas al laboratorio en el que se va a realizar la investigación, tales como:  Espacio de Laboratorio  Abastecimiento de agua  Capacidad de bombas instaladas  Precisión de los instrumentos existentes  Tiempo  Dinero

ESCALAS EN MODELOS HIDRAULICOS  EFECTOS DE ESCALA -

-

Los efectos de escala pueden definirse como las distorsiones introducidas por efectos de gravedad, viscosidad, tensión superficial, etc. diferentes del que predomina. Esto ocurre cuando uno o más parámetros adimensionales son diferentes entre el modelo y el prototipo. Es decir, errores que resultan al modelar el prototipo con base en escalas escogidas para satisfacer la acción de la fuerza dominante y permitir que las otras fuerzas no estén a escalas.

Estos efectos también influyen en la selección de la escala del modelo, ya que afecta el funcionamiento del prototipo. Los efectos de escala aparecen con cierta frecuencia en muchos modelos, para evitar esto se deben construir modelos tan grandes como sean posibles.

ESCALAS EN MODELOS HIDRAULICOS  CALIBRACION -

Estos pasos son esenciales antes de empezar cualquier investigación.

-

La calibración, generalmente, consiste en adecuar las condiciones y características físicas e hidráulicas, como la rugosidad del lecho, la descarga y los niveles de agua, con las del prototipo.

-

En modelos de cauces naturales, generalmente, la calibración consiste en un proceso iterativo en el cual se modifica la rugosidad del cauce hasta hacer equivalentes las curvas tirante-caudal del modelo con las del prototipo, en secciones de medición establecidas de antemano en el prototipo.

APLICACIÓN DE LOS MODELOS HIDRAULICOS 1. TENEMOS UN CANAL

2. DATOS OBTENIDOS EN CAMPO  Velocidad: 1.2m/seg  Tirante normal: 30cm  Longitud del tramo: 40m  Desnivel del tramo: 0.6m  Caudal del prototipo: 2.52m3/seg  n calculado: 0.02(RESULTADO DETERMINADO) Para cambiar a una pendiente más suave de So=0.3/100 se desea construir una caída para evitar daños en la estructura del canal. Para predecir el comportamiento de dicha caída se desea construir un modelo a escala de la estructura de protección. El tamaño del modelo debe ser la mitad del prototipo. Se desea la altura de la caída de 1m.

3. APLICANDO SEMEJANZA DE FROUDE ENTRE EL PROTOTIPO Y EL MODELO: Dimensiones del modelo:

4. CAUDAL DEL MODELO Q=V.A Q=0.85m/seg.(0.052m2) 𝐿𝑡 Q=44.2 𝑠

DIMENSIONAMIENTO DE LA CAÍDA

- Caudal unitario 𝑄 𝑞= 𝑏 0.0442 0.22

𝑞= 𝑞 = 0.2 - Ancho de la transición: b=0.765𝑄

2 5 2 5

b=0.765𝑋0.0442 b=0.22m - Numero de caída 𝑞2 𝐷= 𝑔. ℎ3 0.22 𝐷= (9.81). 13 D=0.004

Ld=4.30h𝐷0.27 =4.30(1)(0.004)0.27 , Y1=0.54h𝐷0.425 =0.54x1x0.0040.425 , Y2=1.66h𝐷0.27 =1.66x1x0.0040.27 , Yp=h𝐷0.22 = 1x0.0040.22 , L=5(Y2-y1)=5(0.37m-0.05m),

Ld=0.96m Y1=0.05m Y2=0.37m Yp=0.29m L=1.6m

CONCLUSIONES En conclusión podríamos decir que un modelo no resuelve todos los problemas que se presentan en el diseño hidráulico de una estructura. En principio, el modelo sólo

responde lo que se le preguntó y

para lo

que fue diseñado mediante la adopción de un apropiado Parámetro Característico de la Información. Del análisis teórico de este parámetro surgen las limitaciones que todo modelo tiene. Finalmente es recomendable que el ingeniero resuelva los problemas con la ayuda del modelo hidráulico estudiado.

RECOMENDACIONES Es recomendable analizar muy bien los problemas hidráulicos en la naturaleza, de ello hacer un estudio detallado y proyectar muy bien los modelos hidráulicos aplicando todos los conocimientos teóricos de la matemática y la física, para la construcción de estructuras modernas y de buena resistencia para los fluidos del agua y otros, para ello tendríamos que poner en practica la secuencia del diseño de un modelo hidráulico.