Aforo de Corriente

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Practica Nº5

AFORO DE CORRIENTES

DETERMINACIÓN DE LA VELOCIDAD

MEDIDA EN UN CURSO DE AGUA.

1. OBJETIVOS

1.1. Objetivo general.-

Determinar el caudal de un curso de agua mediante el método área velocidad.

1.2. Objetivos específicos.-

Ejercitar al estudiante en la utilización del molinete hidráulico como medio de

medición de velocidades.

Estudiar la distribución de velocidades que se producen en la sección transversal de

un canal.

Calcular el gasto que circula por un canal utilizando el método área-velocidad.

2. INTRODUCCIÓN.-

La necesidad de conocer el gasto que circula por una conducción libre ha ocasionado la

creación y desarrollo de una buena cantidad de métodos para ese fin. Algunos de ellos

requieren obras especiales, otros se basan en el uso de aparatos con alta tecnología y

también se cuenta con un grupo que son muy simples y sencillos.

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).

En la presente práctica se realizará el estudio del método área de velocidad, con la

utilización de un micro molinete como instrumento para la medición de la velocidad.

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2.1. Molinete hidráulico.-

En el laboratorio se utilizará para la medición de las velocidades el molinete hidráulico. El

elemento fundamental de este equipo de precisión es una rueda con aspas o cazoletas que

son movidas por la corriente, y cuya velocidad de rotación depende de la velocidad del

agua. La velocidad de rotación se determina por un mecanismo que a cada cierto número de

revoluciones abre y cierra un circuito eléctrico conectado a un señalizador, que puede

emitir una señal eléctrica o lumínica, o accionar un contador mecánico o digital. De

acuerdo con el número de señales emitidas en un periodo de tiempo, se puede conocer la

velocidad de rotación promedio del molinete.

Entre la velocidad de la corriente V (m/s) y la cantidad de vueltas en un segundo, n, existe

una dependencia rectilínea.

V = Vo + Kn

Donde:

Vo es la velocidad antes del inicio de la rotación de la hélice (velocidad inicial).

K es el coeficiente de la hélice.

Un molinete debe cumplir las siguientes características:

Tener pequeño tamaño.

Producir un mínimo de corrientes parásitas.

Tener poco rozamiento en sus partes mecánicas.

Ser poco sensible al efecto de las corrientes verticales.

Funcionar solamente por efecto de la componente de la velocidad perpendicular a

él (en la dirección del corriente).

Para calibrar estos equipos se requiere de instalaciones especiales o la comparación con otro molinete que se encuentre comprobado su adecuado funcionamiento.

Las principales desventajas del uso de los molinetes son:

- la imposibilidad de comprobar su exactitud en condiciones de trabajo.

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- La dificultad de regularlos sin calibración.

Características del molinete del laboratorio.-

En el laboratorio s dispone de un micromolinete de alta precisión del modelo 2100 de la

firma norteamericana Swoffer Instrument Inc.

El equipo permite medir corrientes líquidas desde 0.1 a 25 pies por segundo, permitiendo

leer directamente en pies o metros por segundo. La velocidad aparece en una pantalla de

cristal líquido.

La pantalla tiene tres intervalos de tiempo para promediar las velocidades, los cuales se

pueden seleccionar por medio de un botón giratorio. Los intervalos de tiempo van desde un

mínimo de 5 segundos hasta 90 segundos.

El indicador del micromolinete recibe la energía para su funcionamiento de una batería de 9

volts, la cual abastece también a su foto-diodo y un foto-transistor en el sensor.

La propela de 2 pulgadas tiene un rotor en el cual se encuentran instalados dos elementos

de fibra óptica. La rotación de estos elementos producen la salida de una luz infrarroja

desde el foto-diodo al foto-transistor, creando unas pulsaciones que son proporcionales a

las revoluciones por minuto con que gira la propela. Estas pulsaciones son contadas y

almacenadas, para posteriormente ser comparadas por un oscilador de cristal de cuarzo y

procesadas para su aparición en la pantalla del equipo.

Las instrucciones para la operación del micromolinete modelo 2100 son las siguientes:

1.- Quitar la tapa plástica que protege al sensor e instalar la propela.

2.- Conectar el sensor a la caja que contiene el indicador, por medio de conector que existe para tal efecto.

3.- Colocar el botón giratorio del indicador hasta la posición que dice CALIBRATE. En la pantalla se debe leer el número 186 (si se ha seleccionado pies por segundo) o 610 (si se ha seleccionado metros por segundo). Para cambiar a las unidades que deseadas se utiliza el interruptor colocado dentro de la caja de la batería.

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4.- Se coloca el botón giratorio del indicador a la posición COUNT.

5.- Se hace girar la propela y se confirma que el indicador incremente las lecturas.

6.- Se gira el botón giratorio al mínimo intervalo de tiempo. (Primera posición desde el lado izquierdo, o sea, la posición OFF).

7.- Colocar el sensor en la corriente liquida con la propela dirigida hacia el flujo.

Presionar el botón que indica RESET, con lo que aparece el valor cero en la pantalla.

8.- El próximo número que aparecerá en la pantalla será la velocidad de la corriente. Este valor de velocidad permanecerá hasta que el próximo intervalo termine. El valor de la pantalla siempre será la velocidad promedio del último promedio.

El equipo deberá ser calibrado antes de cada práctica por el personal especializado del laboratorio, para lo cual existen unas instrucciones especializadas.

3. FUNDAMENTO TEORICO.-

Se miden las corrientes fluviales recurriendo a diferentes métodos y fórmulas de

la hidrodinámica fluvial. La velocidad de los hilillos de agua varía considerablemente a lo

largo del cauce, pero también en cada punto de la sección mojada, tanto de una orilla hacia

la otra como del fondo a la superficie. La velocidad depende también de la pendiente, la

profundidad y la rugosidad del lecho, las irregularidades de los márgenes, etc. Los hilillos

de agua son tanto más rápidos cuanto más lejos circulan de los márgenes y del fondo. La

mayor rapidez se da en la zona superficial, por encima de los puntos más profundos. Las

líneas de igual velocidad son llamadas isódromas o isotaquias.

Cuando el régimen del río es normal, con un caudal medio, la velocidad suele ser inferior a

1 m/s en los cursos de agua de pendiente suave.

3.1. Distribución de velocidades

La velocidad del líquido en contacto con la pared sólida debe ser cero, y en el flujo en

canales abiertos la velocidad aumenta con la distancia a la pared. La velocidad máxima no

se presenta en la superficie libre, sino por debajo de la superficie libre a una distancia de

0,05 a 0,025 de la profundidad. La velocidad media a lo largo de una línea vertical se

determina a veces midiendo la velocidad a 0,6 de la profundidad, pero un método más

conveniente consiste en tomar la media de las velocidades a 0,2 y a 0,8 de la profundidad,

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http://es.wikipedia.org/wiki/Caudal_(fluido)

http://es.wikipedia.org/wiki/Pendiente_(geograf%C3%ADa)

http://es.wikipedia.org/wiki/Velocidad

http://es.wikipedia.org/wiki/Agua

http://es.wikipedia.org/wiki/Hidrodin%C3%A1mica

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según estudios. La velocidad media es el valor que se obtiene al dividir el gasto entre el

área mojada de la sección [V= Q/A].

Los gráficos que muestran la variación de la

velocidad en la sección transversal pueden

confeccionarse dividiendo dicha sección

mediante varias verticales, y con un

instrumento previamente calibrado medir, a

partir de la superficie libre y a intervalos

constantes hasta muy cerca del fondo, la velocidad, ya sea en una vertical o en una sección

transversal. A partir de la curva correspondiente a cada vertical puede determinarse a escala

la velocidad a cualquier profundidad

3.2. Canal de agua abierto

Un canal abierto es un conducto por donde

el líquido fluye con una superficie sometida

a la presión atmosférica. El flujo se origina

por la pendiente del canal y de la superficie

del líquido la solución exacta de los

problemas de flujo es difícil y depende de

datos experimentales que deben cumplir una amplia gama de condiciones.

El flujo puede clasificarse en permanente o constante y no permanente o variable, uniforme

y no uniforme.

El flujo constante y uniforme se presenta en canales inclinados, muy largos, de sección

recta constante, en aquellas regiones donde se ha alcanzado la velocidad final, es decir,

donde la perdida de energía debida al flujo turbulento es exactamente proporcionada por la

reducción de la energía potencial debida a la disminución uniforme de la altura de la solera

del canal. La profundidad del flujo permanente y uniforme se llama profundidad normal. El

flujo permanente y uniforme el caudal y la profundidad son constantes en todas partes a lo

largo de la longitud del canal. Varias fórmulas son utilizadas para determinar la relación

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entre la velocidad media, la forma de la sección recta, su tamaño y rugosidad y la pendiente

o inclinación del fondo o solera del canal.

El flujo permanente y no uniforme se presenta en cualquier canal irregular donde el caudal

no varía con el tiempo; también se presenta en canales regulares cuando la profundidad de

la corriente y por consiguiente la velocidad media, varia de una sección a otra. En el caso

de un cambio gradual en la profundidad o en la sección, llamado flujo gradualmente no

uniforme, existen métodos, mediante integración y calculo por tramos para determinar la

profundidad de la corriente para el caudal. En aquellas zonas de un canal donde se

producen cambios pronunciados en la velocidad y en la profundidad a corta distancia, se

hacen con frecuencia estudios recurriendo a modelos semejantes.

El flujo variable y uniforme raramente se presenta en canales abiertos.

El flujo variable y no uniforme es muy frecuente, pero extremadamente difícil de analizar.

El movimiento de las olas es un ejemplo de este tipo de flujo, cuyo análisis es muy

complejo cuando se toma en cuenta el rozamiento.

El flujo también se clasifica en tranquilo o lento (F<1) y como torrencial o rápido (F>1);

también puede ser crítico (F=1).

3.3. Aforo de corrientes

Es un conjunto de operaciones para determinar el caudal en un curso de agua para un nivel

observado.

Una clasificación de los métodos de aforo es aquella que se divide en 2:

Métodos directos son aquellos que utilizan un instrumento u obra calibrada, para

que con el auxilio de ella determinar de forma directa e inmediata el gasto que

circula, puede ser; volumétrico, gravimétrico, las canales calibradas, las obras

reguladoras, etc.

Métodos indirectos de o área-velocidad, son aquellos que se basan en la medición

de la distribución de la velocidad en la sección transversal, para posteriormente de

acuerdo con el principio de la continuidad, calcular el gasto que ha circulado por la

sección en estudio. Para la determinación de la velocidad se pueden utilizar;

molinetes, flotadores, tubos de Pitot, productos químicos.

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3.4. Aforo con flotadores.-

Son los más sencillos de realizar, pero también son los más imprecisos; por lo tanto, su uso

queda limitado a situaciones donde no se requiera mayor precisión. Con este método se

pretende conocer la velocidad media de la sección para ser multiplicada por el área, y

conocer el caudal, según la ecuación de continuidad.

Q = velocidad *área

Para la ejecución del aforo se procede de la siguiente forma. Se toma un techo de la

corriente de longitud L; se mide el área A, de la sección, y se lanza un cuerpo que flote,

aguas arriba de primer punto de control, y al paso del cuerpo por dicho punto se inicia la

toma del tiempo que dura el viaje hasta el punto de control corriente abajo.

La velocidad superficial de la corriente, Vs, se toma igual a la velocidad del cuerpo flotante

y se calcula mediante la relación entre el espacio recorrido L, y el tiempo de viaje t.

Si se divide el área de la sección transversal del flujo en varias secciones de área para las

cuales se miden velocidades superficiales y se calculan velocidades medias, el caudal total

se podrá determinar como la sumatoria de los caudales parciales, de la siguiente manera:

3.5. Velocidad del flujo de agua

Es la rapidez con la que el agua se desplaza río abajo, medido en cualquier punto. Debido a

los rozamientos con el lecho del río y las márgenes, la velocidad varía entre un valor

próximo a cero y un máximo situado en la mitad de la corriente y a cierta distancia del

fondo del lecho.

Cuando el cauce es homogéneo, el movimiento de los caudales es lento y los hilillos de

agua se deslizan unos sobre otros, se habla de flujo laminar. Si por el contrario el cauce es

rugoso y la velocidad alta, el paralelismo de las líneas de agua se rompe y entrecruzan, es

el flujo turbulento.

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En el movimiento de aguas intervienen la fuerza de la gravedad y la de fricción, la

interacción de estas dos fuerzas determina la capacidad de erosión y transporte de los

sedimentos.

Otro método consiste en verter en la corriente una cantidad de colorante muy intenso y

medir el tiempo en que recorre aguas abajo una distancia conocida. El colorante debe

añadirse rápidamente con un corte neto, para que se desplace aguas abajo como una nube

colorante. Se mide el tiempo que tarda el primer colorante y el último en llegar al punto de

medición aguas abajo, y se utiliza la media de los dos tiempos para calcular la velocidad

media.

En las corrientes turbulentas la nube colorante se dispersa rápidamente y no se puede

observar y medir; es posible usar otros indicadores, ya sean productos químicos o

radioisótopos; se conoce como el método de la dilución. Una solución del indicador de

densidad conocida se añade a la corriente a un ritmo constante medido y se toman muestras

en puntos situados aguas abajo. La concentración de la muestra tomada aguas abajo se

puede comparar con la concentración del indicador añadido y la dilución es una función del

caudal, la cual es posible calcular.

Una determinación más exacta de la velocidad se puede obtener utilizando un molinete. El

de tipo de taza cónica gira sobre un eje vertical y el de tipo hélice gira sobre un eje

horizontal. En ambos casos la velocidad de rotación es proporcional a la velocidad de la

corriente; se cuenta el número de revoluciones en un tiempo dado, ya sea con un contador

digital o como golpes oídos en los auriculares que lleva el operador. En las corrientes

superficiales se montan pequeños molinetes sobre barras que sostienen operarios que

caminan por el agua .Cuando hay que medir caudales de una avenida en grandes ríos, las

lecturas se toman desde un puente o instalando un cable suspendido por encima del nivel

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máximo de la avenida; el molinete se baja por medio de cables con pesas para retenerlo

contra la corriente del río.

3.6. Determinación de la situación de la sección de aforo.-

En el laboratorio se harán las determinaciones del gasto por el método área velocidad en el canal

Rehbock, que tiene una sección transversal rectangular muy bien definida. El método estudiado

tiene una gran utilización en la medición del gasto en conducciones naturales, en las cuales las

secciones transversales son muy irregulares. Para medir correctamente el gasto, es necesario elegir

una sección de aforo a través del río, de tal modo que el plano en que ella se encuentre sea normal a

la dirección de la corriente.

En general, la sección de aforo puede situarse aproximadamente, perpendicular a la dirección media

de la corriente superficial.

3.7. Verticales de velocidad en la sección de aforo.

Cuando se determinan los gastos con el molinete se deben medir las velocidades de la corriente en

diferentes puntos de la sección de aforo. Esto se logra midiendo las velocidades en diferentes puntos

de las verticales de velocidad. Estas verticales se sitúan en determinados puntos de la sección de

acuerdo con las siguientes normas:

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Ancho del río Número de verticales

Hasta de 50 m 5

50-100 m 5 – 7

100-200 m 7 – 9

200-500 m 9 – 13

Las velocidades en las diferentes verticales que se han establecido se pueden determinar por los

métodos siguientes:

El detallado.

El reducido.

El de integración.

Método detallado. Las velocidades de la corriente se miden en 5 puntos.

En la superficie.

A las profundidades 0,2; 0,6; 0,8 y donde: y es la profundidad de la vertical medida desde la

superficie cerca del fondo.

Para determinar la velocidad superficial es necesario que las hélices del molinete estén introducidas

completamente en el agua, y para medir la velocidad cerca del fondo se debe colocar el molinete lo

más profundo posible.

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Método reducido.- Se emplea en los casos en que él no se puede aplicar el método

detallado. En este método se pude optar por tres posibilidades, tomando medidas de la

velocidad en:

Tres puntos de la vertical (0.2, 0.4 y 0.8y), mediante la fórmula:

· Dos puntos de la vertical (0.2 y 0.8y), mediante la fórmula:

· Un punto de la vertical (0.6y), empleándose la siguiente fórmula:

Método de integración.- En este método se sumerge el molinete desde la superficie hasta

el fondo a una velocidad constante, luego se vuelve a sacar el molinete tratando de

mantener la misma velocidad. La velocidad leída en el indicador es la velocidad de la

vertical.

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Vmed=V sup+3V 0.2h+3V 0. 6 h+2V 0 . 8h+V fondo10

Vmed=V 0.2 h+V 0 . 8h

2

Vmed=V 0.2 h+2V 0.6 h+V 0.8 h

4

V med=V 0 .6 h

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4. PROCEDIMIENTO.-

4.1. MATERIALES DE LA PRACTICA.-

Regla de madera. Molinete Hidráulico.

Flexómetro.

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Cronómetro.

4.2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.-

Como primera parte de la práctica tanto para el método del molinete y el flotador se empezó en la medición del ancho del canal.

División del canal en 5 verticales.

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Una vez medido el ancho del canal igual a 125cm se procedió a dividirlo en 5 partes cada 25 cm midiendo los tirantes en cada división; una vez obtenido estos datos se midió las verticales a la mitad de cada división.

Medición de las verticales del canal.

Medido las profundidades a la mitad de cada división, se calculo los valores de 0,2h, 0,6h y 0,8h, armado el molinete hidráulico se procedió a medir las velocidades en cada uno de los 5 puntos de cada una de las verticales.

Medición de las velocidades con el molinete hidráulico.

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Después de realizamos el método del flotador. Para ello medimos una distancia de 5m con la cinta métrica.

Medición de la distancia para método de flotador.

Por último colocamos una pelotita en la superficie del agua para que fluya por la corriente para medir el tiempo que realiza en desplazarse los 5m. Se midió 3 tiempos para poder promediar y encontrar la velocidad y el caudal posteriormente.

Medición del tiempo de desplazamiento del flotador.

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