El laboratorio es un elemento de formación que pretende principalmente fijar criterios teóricos aprendidos durante los cursos de mecánica de fluidos e hidráulica y fomentar el espíritu de investigación y el trabajo práctico de los estudiantes. El uso de guías debe limitarse en este sentido a una sugerencia sobre los conceptos que deben analizarse en cada práctica y una indicación de los procedimientos a seguir con los montajes de laboratorio, con explicaciones apropiadas por parte del maestro. En este sentido se incluyen a continuación los elementos de análisis básicos mínimos que deben tenerse en cuenta al presentar los informes de cada práctica (los estudiantes están en libertad de explorar y analizar la información para obtener conclusiones adicionales sobre aspectos que consideren importantes y que no se encuentren enunciados):

 

 

 

MEDIDAS DE FLUJO Y PRESION: 
VENTURI, TOBERA, ORIFICIOS

 

En mecánica de fluidos las condiciones del flujo están definidas por los gradientes de altura, presión y velocidad (DP, Dz, DV²). Cuando se aplican convenientemente los criterios de la línea de corriente y las ecuaciones de continuidad y energía es posible resolver una enorme variedad de problemas asociados a los flujos. En esta práctica, haremos uso de estos conceptos fundamentales para (1) calibrar aparatos de medición de flujo y (2) observar como se relacionan las tres variables antes mencionadas. Se tomarán lecturas de presión sobre cada uno de los dispositivos para distintos caudales, los cuales se calculan a partir de un vertedero ya calibrado en el laboratorio (recordar que el mejor método para medir caudales es el volumétrico y que a partir de éste se suelen calibrar los vertederos de laboratorio).

 

Para elaborar el informe de esta práctica es importante considerar como mínimo los siguientes aspectos:

 

1)     Determinación del perfil de presiones a lo largo del tubo vénturi.

2)     Determinación del perfil de presiones en la boquilla.

3)     Análisis del cambio de presiones en función del cambio en la sección de flujo del vénturi y la boquilla.

4)     Determinación de caudales a través de orificio, boquilla y Venturi aplicando ecuaciones teóricas.

5)     Cálculo de la pérdida de energía en el Venturi en función de los caudales.

6)     Determinación de la velocidad de salida del chorro a partir de las ecuaciones de movimiento parabólico.

7)     Comparación de los resultados de caudales obtenidos con cada uno de los medidores: determinación de los respectivos coeficientes de descarga respecto al caudal obtenido con las lecturas del vertedero (Cd= Valor Qteórico/Valor Qvertedero).

8)     Comparación de los resultados de los coeficientes de descarga y velocidad con los reportados en la literatura.

9)     Aplicaciones prácticas derivadas de los dispositivos y fenómenos de flujo vistos en el laboratorio.

 

 

 

 

 

 

 

 

 PÉRDIDAS DE ENERGÍA POR FRICCIÓN Y ACCESORIOS:
FLUJOS LAMINAR Y TURBULENTO

 

Gran parte del desarrollo de la mecánica de fluidos como ciencia experimental se deriva de la existencia de procesos físicos irreversibles asociados a esfuerzos de fricción y viscosidad que producen una degradación de la energía en forma de calor. En esta práctica se estudia el efecto que tienen los esfuerzos de corte, la fricción, la viscosidad, la geometría de los conductos y la turbulencia en el comportamiento de la línea de energía de un flujo a presión.

 

Este experimento histórico llevó a investigadores como Reynolds, Darcy, Weishbach y Nikuradse a plantear dos de los conceptos fundamentales de la hidráulica: Reynolds dedujo la existencia de varios regímenes de flujo asociados a las propiedades del flujo y del fluido, armoniosamente sintetizados en el número adimensional que lleva su nombre (Re=rVf/m) y según el cual un flujo puede ser laminar (Re<2000), transicional (2000<Re<10000) y turbulento (Re>10000). Nikuradse (y muchos otros investigadores alrededor del mundo), determinó una relación compleja para explicar las pérdidas de energía asociadas a los efectos de frontera del flujo en contacto con superficies rugosas que hoy se conoce como el factor de fricción f.

 

Otras pérdidas están directamente asociadas a la geometría misma del flujo y se conocen como pérdidas por accesorios. Los cambios de dirección y de sección transversal son las principales causas de estas pérdidas. En este laboratorio también tendremos ocasión de estudiar su efecto en líneas de flujo a presión, específicamente en el caso de válvulas.

 

Este laboratorio también nos permite analizar uno de los fenómenos de flujo no permanente más interesantes en la hidráulica de líneas a presión: el GOLPE DE ARIETE. Este fenómeno ocurre cuando se produce un cierre súbito de una válvula en una tubería el cual genera un incremento instantáneo y notable de la presión interior que se transmite oscilatoriamente corriente arriba, prácticamente a la misma velocidad del sonido en el medio. Los efectos del golpe de ariete son contundentes: estallido de la tubería y destrucción de accesorios y equipos de bombeo. Desde luego existen formas de controlar estas sobrepresiones, p.ej. utilizando almenaras o chimeneas de equilibrio como la que estudiaremos en este laboratorio. Pero no siempre el golpe de ariete resulta perjudicial. De hecho este efecto se aplica en el diseño de dispositivos de bombeo confiables conocidos como ARIETES HIDRÁULICOS.

 

 Para elaborar el informe de esta práctica es importante considerar como mínimo los siguientes aspectos:

 

1)     Cálculo de Re.

2)     Análisis del comportamiento de las pérdidas de energía en función del caudal y de la longitud de la tubería.

3)     Determinación del coeficiente de pérdidas general K (basado en los datos de laboratorio), para cada una de las tuberías estudiadas.

4)     Determinación del coeficiente de pérdidas K para la válvula del montaje del segundo piso en función del caudal.

5)     Comparación de los resultados experimentales con los resultados teóricos que se obtendrían aplicando la ecuación de pérdidas por fricción y accesorios de Darcy-Weisbach (f).

6)     Determinación de la pérdida de potencia hidráulica (P) en los dos sistemas estudiados.

7)     Determinación de la viscosidad del agua a partir del montaje de cabeza constante (flujo laminar).

8)     Descripción del fenómeno de golpe de ariete y del comportamiento de la chimenea de equilibrio ante cierre súbito.

9)     Análisis del efecto amortiguador de la columna de líquido en la chimenea de equilibrio en función del tiempo.

10) Comparación de los valores de altura máxima Z de la columna de líquido en función del tiempo, con los resultados obtenidos a partir del análisis teórico.

11) Análisis de datos, resultados y conclusiones soportadas en los resultados del laboratorio.

12) Aplicaciones derivadas de los conceptos de pérdidas en tuberías a presión y golpe de ariete. Por ejemplo: “ El hecho de que todo flujo en tuberías a presión sufra pérdidas de energía debidas a la fricción y la turbulencia obliga a pensar en el uso de dispositivos como bombas o tanques a presión que suministren energía hidráulica en forma eficiente al flujo para lograr conducciones seguras en distancias largas.” o, “Para controlar el efecto del golpe de ariete en sistemas a presión se han aplicado diversas soluciones, entre las que se encuentran las chimeneas de equilibrio o los tanques presurizados, así como uniones flexibles cuyo módulo de elasticidad y rango de deformación permite amortiguar el efecto del exceso de presión.”

 

 

 

 

 

 

 

SISTEMAS DE BOMBEO

 

Los sistemas de bombeo y las turbomáquinas son quizás las principales razones por las cuales los ingenieros estudian mecánica de fluidos e hidráulica. Por lo tanto esta práctica reviste la mayor importancia para su futura formación y es necesario que se extraiga de ella el mayor provecho.  Necesitaremos tener presentes las ecuaciones de continuidad, energía y cantidad de movimiento así como una buena base teórica respecto al estudio de BOMBAS INDIVIDUALES, EN SERIE Y PARALELO, estar familiarizados con los conceptos de CURVA CARACTERÍSTICA, NPSH, POTENCIA HIDRÁULICA, POTENCIA DEL MOTOR, POTENCIA AL FRENO, EFICIENCIA y CAVITACIÓN.

 

Para elaborar el informe de esta práctica es importante considerar como mínimo los siguientes aspectos:

 

1)     Determinación de las curvas características de las bombas individuales en succión positiva y negativa.

2)     Determinación de la potencia efectiva del motor a partir de la ecuación: P=V*I*cos(j)

3)     Determinación de las curvas de eficiencia de las bombas individuales.

4)     Determinación de la curva de funcionamiento de las bombas en serie.

5)     Determinación de la potencia efectiva de los motores funcionando en serie.

6)     Determinación de la eficiencia del sistema funcionando en serie.

7)     Determinación de la curva de funcionamiento del sistema en paralelo.

8)     Determinación de la potencia efectiva de los motores funcionando en paralelo.

9)     Determinación de la eficiencia del sistema funcionando en paralelo.

10) Comparación de las curvas experimentales del funcionamiento en serie y paralelo con el respectivo supuesto de superposición de efectos de las curvas características experimentales de las bombas individuales.

 

 



 

 

 

CALIBRACIÓN DE VERTEDEROS

 

Para elaborar el informe de esta práctica es importante considerar como mínimo los siguientes aspectos:

 

1)     Cálculo de los caudales con base en la ecuación del vertedero Bazin previamente calibrado para la experiencia.

2)     Determinación de las curvas Q vs. H para los vertederos triangular y rectangular y de su curva de mejor ajuste (utilizar diferentes curvas de ajuste: potencial, exponencial, cuadrática...).

3)     Determinación de los coeficientes de calibración de los vertederos rectangular y triangular con base en la ecuación Q = C*L*HB.

4)     Comparación de los resultados obtenidos con las ecuaciones experimentales y con las ecuaciones teóricas propuestas para vertederos rectangulares y triangulares.

5)     Análisis de los errores que se presentan en el vertedero triangular por efecto de la desviación brusca del flujo aguas abajo y del vertedero rectangular por las contracciones de flujo.

6)     Cálculo de la pérdida de energía entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del vertedero rectangular.

 

 

 

 

 

 

MOMENTUM Y ENERGÍA: APLICACIÓN 
EN COMPUERTA Y RESALTO HIDRÁULICO

 

 

Para elaborar el informe de esta práctica es importante considerar como mínimo los siguientes aspectos:

 

1)     Cálculo de caudales a partir del vertedero Bazin

2)     Determinación de perfil de presiones sobre la compuerta y explicación de los resultados.

3)     Cálculo de la fuerza resultante sobre la compuerta a partir del perfil de presiones determinado en el numeral anterior.

4)     Cálculo de la fuerza ejercida por el agua sobre la compuerta a partir de la ecuación de cantidad de movimiento y comparación con los resultados del cálculo directo de la fuerza por incrementos de presión sobre la compuerta.

5)     Determinación de las pérdidas de energía entre las secciones antes y después de la compuerta.

6)     Determinación del número de Froude para los flujos antes y después del resalto.

7)     Comparación entre los valores experimentales y teóricos de profundidades secuentes después del resalto, con base en las profundidades antes del resalto.

8)     Determinación de la pérdida de energía causada por el resalto hidráulico.

9)     Explicación gráfica del tipo de flujo que ocurre dentro del resalto hidráulico.

10) Determinación de la relación entre las profundidades antes y después del resalto (Y1,Y2) y la longitud del mismo (Lr)

 

 

 

 

 

 

 

ENERGÍA ESPECÍFICA: 
FLUJO SOBRE UNA RAMPA

 

Para elaborar el informe de esta práctica es importante considerar como mínimo los siguientes aspectos:

 

1.      Comparación entre los caudales obtenidos con el vertedero calibrado y los calculados aplicando relaciones de flujo crítico (Froude=1) en la cresta de la rampa.

2.      Determinación de las curvas de energía específica E para cada uno de los caudales en función de las profundidades de flujo y las cabezas de velocidad asociadas a cada una de las secciones aforadas (14 puntos por caudal, curvas Y vs. E).

3.      Análisis del comportamiento de estas curvas con base en la teoría presentada en los libros de Ven Te Chow y French (primeros capítulos).

4.      Cálculo de los valores del número de Froude en las secciones aguas arriba, aguas abajo y cresta de la rampa.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CÓMO PRESENTAR LOS INFORMES

 

CRITERIOS PARA CALIFICAR LOS INFORMES

 

ENTREGA DE INFORMES

 

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CÓMO PRESENTAR LOS INFORMES

 

El hecho de que haya una mínima normalización en la presentación de los informes de ninguna manera significa que exista uniformidad de los contenidos. Es simplemente una forma convencional y organizada para poder entendernos unos a otros a pesar de nuestras diversas ideas.

 

Un buen informe de laboratorio ha de seguir las normas ICONTEC y debe contener:

 

1.      Hoja de presentación

 

2.      Indice o tabla de contenido

 

3.      Introducción: la introducción debe referirse al informe de laboratorio que se realizó y que se presenta, no es un marco teórico.

 

4.      Objetivos: General y específico: es importante definir bien estos objetivos porque ellos son la base de las conclusiones posteriores.

 

5.      Marco Teórico: breve exposición de los fundamentos teóricos que le dan sentido a la práctica de laboratorio y sobre los cuales ha de basarse el análisis de resultados y conclusiones. NO se trata de transcribir textualmente el contenido de los libros sino de extractar los conceptos y ecuaciones que le dan sustento a la práctica realizada.

 

6.      Descripción de la instalación de laboratorio

 

7.      Datos obtenidos durante el laboratorio en forma tabulada e indicando cualquier anomalía u observación relevante hecha durante la práctica.

 

8.      Análisis de los datos obtenidos: definición de posibles errores de toma de datos y su efecto sobre los resultados

 

9.      Análisis de resultados: una vez analizados los posibles errores del laboratorio se procede al análisis de la información obtenida, haciendo uso de tablas, gráficas, esquemas que clarifiquen convenientemente lo expuesto. Se hacen cálculos y comparaciones de las ecuaciones obtenidas experimentalmente con las propuestas en la teoría (de ahí la utilidad del marco teórico).

 

10. Conclusiones: Es importante que las conclusiones estén referidas a la práctica de laboratorio y a los objetivos perseguidos y anotados al principio del informe. Las conclusiones no deben referirse a ideas o resultados teóricos expuestos en los libros que no hayan sido plenamente verificados en la experiencia, aunque pueden indicar cuándo es necesario incluir análisis con variables que no se tuvieron en cuenta durante el experimento para mejorar la interpretación del fenómeno analizado. En lo posible deben evitarse las conclusiones generalizadas y obvias del tipo “la experiencia fue buena porque me permitió observar la importancia del dispositivo en mi profesión” ya que esta no es una conclusión sino un supuesto del cual se parte para hacer el laboratorio (nadie duda de la importancia de los conocimientos que puede adquirir en las prácticas de laboratorio).

 

11. Bibliografía : Las referencias consultadas deben aparecer al final del informe de laboratorio. En principio se debe aplicar la norma NTC para referir convenientemente la bibliografía: P.ej.: Para libros: AUTOR. Título de la Obra. Casa Editorial. País de publicación. año de publicación

 

Para tener una idea de la forma de presentación de estos informes ver el siguiente ejemplo en formato word.

 

 

 

 

 

 

 

CRITERIOS DE CALIFICACIÓN DE LOS INFORMES

 

·        PRESENTACIÓN (20%): El informe está convenientemente estructurado, las tablas y gráficas tituladas y convenientemente referidas en el texto, hay un orden en la presentación desde la introducción hasta la bibliografía e incluye un marco teórico adecuado para el análisis que se debe hacer en el laboratorio.

 

·        ANÁLISIS DE DATOS (20%): Determina adecuadamente el tipo de errores que pudieron cometerse en la toma de datos, los analiza convenientemente mediante teoría de errores y hace cálculos entre variables para obtener resultados, basados en la teoría.

 

·        ANÁLISIS DE RESULTADOS (30%): Hace un adecuado análisis de información en tablas y gráficas, incluso estudiando relaciones no convencionales entre variables para tratar de responder a inquietudes surgidas en el laboratorio. Redacta párrafos comprensibles, con una idea central e ideas auxiliares referidas a resultados de la práctica. Organiza la exposición y es coherente entre lo analizado y lo supuesto en la teoría. Hace uso de comparaciones entre datos experimentales y teóricos.

 

·        CONCLUSIONES (30%): Hace una conveniente relación entre lo analizado y lo concluido. Existe coherencia entre los objetivos propuestos y las conclusiones presentadas. Al igual que en el análisis de resultados, organiza la exposición y es coherente entre lo analizado y lo supuesto en la teoría. Extiende los resultados hacia generalizaciones: va de lo particular del laboratorio a lo general de una ley física y propone aplicaciones prácticas de los fenómenos analizados.

 

NOTA: Estos son los criterios que se tienen en cuenta en la calificación de los laboratorios. NO INFLUYE que se presenten los informes IMPRESOS o a mano alzada, siempre y cuando se cuiden los principios más elementales de la presentación, aunque se recomienda el uso de la computadora porque es el medio actualmente más difundido entre los profesionales y les facilita la presentación de tablas y gráficos junto al texto. La ortografía debe cuidarse desde luego y será corregida en los informes pero no será criterio para la calificación. Sin embargo, la redacción debe ser clara y directa ya que este criterio SI AFECTA la calificación.

 

 

 

 

 

 

 

ENTREGA DE LOS INFORMES

 

Los informes se entregarán en parejas.  El plazo de entrega de cada informe será de 15 días a partir del momento en que se haga la práctica, razón por la cual se recomienda trabajar con los datos  tan rápido como sea posible después de hacer el laboratorio. Luego de corridos los 15 días, la calificación de los informes se hará sobre una base diferencial tal como se indica en la siguiente tabla

 

CALIFICACIÓN MÁXIMA

2 PRIMERAS SEMANAS

TERCERA SEMANA

CUARTA SEMANA

QUINTA SEMANA

SEXTA SEMANA

100%

80%

60%

40%

20%