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CAUDAL

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República Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder Popular para la Educación Superior
Instituto Universitario de Tecnología “Antonio José de Sucre”
Extensión Mérida Estado Mérida
Bachiller:
Yanez Edison. C.I: 24.994.569
Escuela: 73
Prof.: Mary Lujano
MERIDA. 08 DE SEPTIEMBRE DEL 2017
Índices:
Introducción………………………………………………………….………pág.03
Escurrimiento a la superficie libre con energía propia…………………..pág.04
Clasificación de los escurrimientos……………………….…pág.05.06.07.08.09
Cálculos del caudal………………………………………………….……….pág.10
Escurrimiento a superficie libres con movimiento variado…………….…pág.11
Partícula fluida y medio continúo……………………………….......………pág12.
Canal estable y revestimiento………………………………………….……pág.13
Anexo………………………………………………………..……………..pág.14.15
Conclusión…………………………………………………………………….pág.16
Bibliografía…………………………………………………….………………pág.17
Introducción:
Se denomina caudal en hidrografía, hidrología y, en general, en geografía física, al
volumen de agua que circula por el cauce de un río en un lugar y tiempo determinados. Se refiere
fundamentalmente al volumen hidráulico de la escorrentía de una cuenca hidrográfica concentrada
en el río principal de la misma. Suele medirse en m³/seg lo cual genera un valor anual medido en
m³ o en Hm³ (hectómetros cúbicos: un Hm³ equivale a un millón de m³) que puede emplearse para
planificar los recursos hidrológicos y su uso a través de embalses y obras de canalización. El caudal
de un río se mide en los sitios de aforo. El comportamiento del caudal de un río promediado a lo
largo de una serie de años constituye lo que se denomina régimen fluvial de ese río.
La hidráulica es la rama de la física que estudia el comportamiento de los fluidos en función de
sus propiedades específicas. Es decir, estudia las propiedades mecánicas de los líquidos
dependiendo de las fuerzas a las que son sometidos. Todo esto depende de las fuerzas que se
interponen con la masa y a las condiciones a las que esté sometido el fluido, relacionadas con la
viscosidad.
En Egipto y Grecia: se dio las civilizaciones más antiguas donde se desarrollaron a lo largo de
los ríos más importantes de la Tierra. La experiencia y la intuición guiaron a estas comunidades en
la solución de los problemas relacionados con las numerosas obras hidráulicas necesarias para la
defensa ribereña, el drenaje de zonas pantanosas, el uso de los recursos hídricos.
CAUDAL
Se denomina caudal en hidrografía, hidrología y, en general, en geografía física, al volumen
de agua que circula por el cauce de un río en un lugar y tiempo determinados. Se refiere
fundamentalmente al volumen hidráulico de la escorrentía de una cuenca hidrográfica concentrada
en el río principal de la misma. Suele medirse en m³/seg lo cual genera un valor anual medido en
m³ o en Hm³ (hectómetros cúbicos: un Hm³ equivale a un millón de m³) que puede emplearse para
planificar los recursos hidrológicos y su uso a través de embalses y obras de canalización. El caudal
de un río se mide en los sitios de aforo. El comportamiento del caudal de un río promediado a lo
largo de una serie de años constituye lo que se denomina régimen fluvial de ese río.
Factores que modifican el caudal de un río.
Los principales son:
Superficie de la cuenca
Clima predominante en la cuenca hidrográfica.
Régimen fluvial
Vegetación, principalmente, la vegetación natural.
Tipo de relieve y pendientes
Constitución del suelo y del subsuelo: tipos de rocas, circulación freática de las aguas,
evaporación de las aguas (que depende a su vez de la radiación solar o insolación y de la
transpiración de las plantas) y otros factores relacionados.
Utilización económica del caudal de un río.
Suministro de agua para usos urbanos.
Irrigación a través de acequias o canales, azudes, represas, etc.
Producción de electricidad mediante represas que alimenten centrales
hidroeléctricas.
Navegación fluvial (navegación de recreo y, especialmente, de transporte de
materias primas).
Pesca fluvial.
Parques y lugares de recreación El caudal de un río es fundamental en el
dimensionamiento de presas, embalses y obras de control de avenidas. Dependiendo
del tipo de obra, se emplean los caudales medios diarios, con un determinado tiempo
de recurrencia o tiempo de retorno, o los caudales máximos instantáneos. La forma
de obtención de uno y otro es diferente y, mientras para los primeros se puede tomar
como base los valores registrados en una estación de medición, durante un número
considerable de años, para los segundos, es decir para los máximos instantáneos,
muy frecuentemente se deben calcular a través de modelos matemáticos. La
medición práctica del caudal líquido en las diversas obras hidráulicas, tiene una
importancia muy grande, ya que de estas mediciones depende muchas veces el buen
funcionamiento del sistema hidráulico como un todo, y en muchos casos es
fundamental para garantizar la seguridad de la estructura. Existen diversos
procedimientos para la determinación del caudal instantáneo. En el artículo
medición del caudal se presentan algunas.
Es el volumen de un líquido que fluye a través de un tubo en un tiempo definido.
En hidráulica es símbolo Q es usado para denominar al caudal volumétrico, para el que es válida
la siguiente ecuación: Q=V.t
Q= caudal [m/s2]
V= Volumen [m3]
t= tiempo [s]
Ecuación de continuidad.
Si en la fórmula de caudal volumétrico (q=v/t) se sustituye el tiempo T por s/v (v=s/t) y se tiene en
cuenta que el volumen V puede ser reemplazado por AxS quedando entonces: Q=AxV
S= Sección seleccionada
Q= caudal [m/s2]
A= área [m2]
S= sección del tubo [m2]
V= velocidad de flujo [m2]
Y si en la rmula original tenemos Q=Vt, se sustituye el volumen original, por el volumen
desplazado V se tiene V=AxS obteniéndose la ecuación siguiente: Q=AxSt En el caudal
volumétrico de un líquido que fluye por un tubo de varios diámetros es igual en cualquier parte del
tubo. Esto significa que el fluido atraviesa los segmentos as pequeños con mayor facilidad, para
representar lo mencionado anteriormente se tiene: Q1=A1xV1 Q2=A2xV2 Q3=A3xV3 etc….
Siendo Q igual en todos los puntos de un conducto, se puede obtener la siguiente continuidad:
A1xV1 = A2xV2 = A3xV3 =…
Tipos de Caudal
Laminar: el quido fluye en el tubo en capas cilíndricas y ordenadas, las capas interiores
fluyen a velocidades mayores que las capas exteriores.
Turbulento: a partir de determinada velocidad del flujo las partículas del fluido ya no
avanzan en capas ordenadas, ya que las partículas fluyen en el centro del tubo o se desvían
lateralmente, con lo que se provoca una perturbación e inhibición reciproca de las partículas
formándose remolinos y se pierden energía.
Calculo del caudal:
Uno de los usos más importantes de las redes de escurrimiento en medios permeables es el
del cálculo del caudal que pasa en determinadas regiones del mismo, en especial cuando alguna
singularidad, interfiere en el normal escurrimiento que tiene lugar normalmente.
Posibilita analizar la utilidad de la red para el propósito enunciado. En realidad una red
posibilita el conocimiento del campo de velocidades en forma relativa, puesto que la misma puede
satisfacer a infinitas posibilidades de caudal que escurre. Conocido el caudal que pasa, el
conocimiento del valor numérico del campo de velocidades en cada uno de sus puntos, es
inmediato.
En el caso de los medios permeables, la ley de Darcy y su vinculación con la función
potencial de velocidades φ y la expresión de Bernoulli (temas desarrollados precedentemente), son
los hechos que permiten vincular la red de escurrimiento con los caudales que escurren por el medio
permeable de características dadas.
En la figura se representan dos cuadrángulos continuos de una determinada red de
escurrimiento en un medio permeable de permeabilidad k; forma parte de un conjunto formado por
n+1 líneas de corriente, siendo en consecuencia n el número de "tubos de corriente
bidimensionales" de la red. De la misma forma, se consideran tres equipotenciales de las m+1 que
completan la misma, siendo m el número de "celdas equipotenciales" de todo el conjunto.
Por el tubo de corriente formado por las dos líneas de corriente consideradas, escurre una
porción del caudal total.
Método de vertedero:
Método del vertedero. Este método aplica para plantas de tratamiento o grandes industrias,
según las características físicas (geometría) de la salida del efluente, y en el caso de que el método
volumétrico sea inoperante, este método consiste en una obstrucción hecha en el canal (ver Figura
15) para que el líquido retroceda un poco atrás de ella y fluya sobre o a través de ella. Si se mide
la altura de la superficie líquida corriente arriba es posible determinar el flujo.
Figura 15. Vertedero triangular
Fuente. Helier Yesid Perea. 2009
En caso de tomar la decisión de utilizar un vertedero de geometría conocida implica
necesariamente que el flujo del vertimiento se dirija sobre un canal abierto, en el cual se
pueda conocer la carga o cabeza (H) de la corriente sobre el vertedero. Con este valor se
podrá determinar el caudal en el canal. Este método no es muy aplicable por dos razones:
a) La mayoría de descargas se realizan por medio de tuberías
b) Lograr coincidir un vertedero de geometría conocida (rectangular con o sin
contracción, triangular o trapezoidal) y graduado con el ancho del canal es bastante
improbable.
En la Tabla 9 se encuentran las ecuaciones que deben utilizar para establecer el caudal,
según el tipo de vertedero.
Tabla 9. Ecuaciones según el tipo de vertedero
Fuente. IDEAM. 2007
En caso de encontrar instalado en el efluente un vertedero con una geometría diferente
a las consignadas en el cuadro, se debe contar con su ecuación de calibración para calcular
el caudal, de lo contrario no puede determinarse este valor en campo.
Si se instala el vertedero en el momento del aforo, se debe tener cuidado de cubrir la
totalidad del ancho del canal de manera que todo el flujo se vea represado por el vertedero,
adicionalmente se deben tener las siguientes precauciones:
a) Se recomienda utilizar vertederos triangulares para descargas pequeñas, en dónde se
debe cuidar que la cabeza (H) mínima sea de 6 cm y la máxima de 60 cm.
b) La placa del vertedor debe ser una hoja metálica o de otro material con poca aspereza,
ya que al aumentar la aspereza del lado corriente arriba de la placa del vertedor el
coeficiente de la ecuación de calibración aumenta, al incrementarse el espesor de la
capa límite.
Método de molinete:
Molinete: Se establece la sección transversal de control en la que se realizará el aforo. Para
Seleccionar la sección transversal del canal que se tomará para el aforo, se debe tener en cuenta
Las siguientes condiciones:
a) No deben existir obstáculos sobre la corriente que alteren el paso del agua.
b) Seleccionar una sección en la que las orillas del canal sean paralelas.
c) Evitar secciones con presencia de excesiva turbulencia.
Se tiende una cuerda sobre el canal, que señale la sección transversal de control
seleccionada (Figura16). Esta cuerda debe permanecer amarrada firmemente a las orillas del canal,
de manera que se evite cualquier desplazamiento de la misma. Para facilitar la determinación de
los puntos de medición de velocidad de la corriente, esta cuerda puede tener marcaciones cada
metro o medio metro. Si no es posible tender esta cuerda, se debe tomar como referencia algún
objeto ubicado en las orillas del canal, para verificar en el desarrollo del aforo la localización de la
misma.
Figura 16. Aforo de caudal con molinete
Fuente. Autor. 2009
Tomando como referencia la cuerda tendida sobre el canal, se mide con la cinta métrica
el ancho del mismo (W). Se establece el número y espaciamiento entre los puntos en los
que se medirá la velocidad del agua con el molinete, según:
a) Para un canal de fondo plano sin diferencia de profundidades a lo largo de la sección
transversal, se toma la velocidad de la corriente con el molinete sobre una misma
posición en el canal.
b) Para un canal de fondo irregular o con diferencias de profundidad, se toman entre
tres y seis datos de velocidad de la corriente con el molinete, según el ancho del
canal (entre más ancho, tomar mayor número de mediciones). Para esto dividir el
ancho de la sección transversal entre cuatro a siete partes (denominadas verticales)
y tomar mediciones de velocidad y profundidad (H) del canal en cada una de estas.
Para medir la velocidad de la corriente con el molinete se selecciona el molinete a
utilizar según el intervalo de caudal a aforar. Se inserta el molinete en el número de varas
necesarias para que la base de la primera de ellas descanse sobre el fondo del canal. Se
coloca la punta del molinete en dirección aguas arriba de la corriente, a una altura
equivalente al 20% y 80% de la profundidad del canal en ese punto (tirante). Se verifica el
libre movimiento de la hélice. Se coloca en ceros el tacómetro del molinete y el cronómetro
y se comienza el conteo simultáneamente en los dos dispositivos.
Al minuto de iniciado el conteo del tacómetro, se determina la cantidad de
revoluciones de la hélice. Se repite la medición de velocidad para verificar la precisión de
los datos. Se determina la profundidad del nivel de agua en el mismo lugar en el que se
tomó la medida de velocidad de la corriente.
Repetir los anteriores pasos para los demás puntos en los que se determinará la
velocidad de la corriente. Para establecer el caudal, se debe utilizar la siguiente fórmula:
Donde,
Q = Caudal de la descarga, m
3
/s a y b = Datos reportados por el fabricante del
molinete
f = Revoluciones por minuto del molinete, rpm
h = Profundidad en cada vertical, m
n = Número de puntos de medición o verticales
W = Ancho de la corriente, m
AFORO DE CORRIENTES NATURALES
El conocimiento de la variación del caudal que fluye por una determinada sección de un cauce
natural es de suma importancia en los estudios hidrológicos. De acuerdo con la calidad y la cantidad
de los registros de caudales necesarios en un estudio hidrológico, las mediciones se pueden hacer
de una manera continua o permanente o de una manera puntual o instantánea, las mediciones
continuas de caudales requieren de la instalación de una estación medidora (limnimétrica) o de una
estación registradora (limnigráfica). Las mediciones aisladas, puntuales o instantáneas, se realizan
en determinados momentos en que se desee conocer la magnitud de una corriente en particular. La
mayoría de los métodos de aforo se basan en la ecuación de continuidad (Q = V * A)
AFORO DE CORRIENTES NATURALES
El conocimiento de la variación del caudal que fluye por una determinada sección de un cauce
natural es de suma importancia en los estudios hidrológicos. De acuerdo con la calidad y la cantidad
de los registros de caudales necesarios en un estudio hidrológico, las mediciones se pueden hacer
de una manera continua o permanente o de una manera puntual o instantánea, las mediciones
continuas de caudales requieren de la instalación de una estación medidora (limnimétrica) o de una
estación registradora (limnigráfica). Las mediciones aisladas, puntuales o instantáneas, se realizan
en determinados momentos en que se desee conocer la magnitud de una corriente en particular. La
mayoría de los métodos de aforo se basan en la ecuación de continuidad (Q = V * A).
MÉTODOS DE AFORO DE CORRIENTES NATURALES DE AGUA MÁS
UTILIZADOS.
Aforo volumétrico. Se aplica generalmente en los laboratorios de hidráulica, ya que solo es
funcional para pequeños caudales; sin embargo se pueden implementar también en pequeñas
corrientes naturales de agua. Fig. 1 y 2
Fig. 1. Instalación temporal para Fig. 2. Instalación para un aforo Volumétrico con vertedero. Volumétrico.
El aforo volumétrico consiste en medir el tiempo que gasta el agua en llenar un recipiente
de volumen conocido para lo cual, el caudal es fácilmente calculable con la siguiente
ecuación=V/t.
Aforo con vertederos y canaletas. Se utilizan principalmente en la medición de caudales en
pequeñas corrientes, en canales artificiales y de laboratorio; su uso en corrientes naturales
es muy restringido. Un funcionamiento típico de un vertedero para aforar corrientes
naturales se muestra en la Fig. 3.
Fig. 3. Secciones de control artificiales para aforo.
Caudal
Conclusión
Las leyes básicas que describen el movimiento completo de un fluido son bastante complejas.
Sin embargo mediante la comprensión y la aplicación correcta de las mismas y la incorporación de
conceptos de mecánica y leyes de termodinámica, se han logrado diseñar grandes estructuras
hidráulicas y eficientes máquinas para controlar y manejar fluidos que fluyen, escurren o se
mueven.
La hidrostática es la rama de la mecánica de fluidos que estudia los fluidos en estado de
equilibrio, es decir, sin que existan fuerzas que alteren su movimiento o posición. En la vida
cotidiana la mayoría de fluidos se encuentran en movimiento, por lo que es necesario comprender
las leyes que rigen este tipo de comportamiento. Las ramas que se encargan de esto son la
cinemática y la dinámica de fluidos.
Bibliografía
http://datateca.unad.edu.co/contenidos/358003/Residuales_Contenido_en_linea/leccin_17
medicin_de_caudales_de_descarga.html.
https://es.wikipedia.org/wiki/Flujo_laminar
http://es.slideshare.net/cellarius/flujo-de-fluidos-13877934
http://fluidos.eia.edu.co/obrashidraulicas/articulos/disipadores/disipadores_de_energia.ht
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