ciencias

UNIVERSIDAD DEL VALLE
FACULTAD DE INGENIERÍA
LABORATORIO DE FLUIDOS E HIDRÁULICA


Práctica 5

FLUJO PERMANENTE A TRAVÉS DE UNA TUBERÍA HORIZONTAL DE
DIÁMETRO CONSTANTE




1. Objetivos

1.1 Objetivo general

Comprobar experimentalmente los conceptos relacionados con el flujo permanente y las pérdidas de fricción a lo largo de una tubería horizontal de diámetro constante.1.2 Objetivos específicos

Comparar la pérdida de energía por fricción experimental y teórica.
Comparar el coeficiente de fricción experimental y el teórico.
Construir la línea de energía y línea piezométrica del sistema.
Comparar la medida de caudal por dos métodos de aforo.


2. Pre-informe

Para contextualizar al grupo en el tema y los conceptos relacionados con la práctica, contestelas siguientes preguntas:

¿Qué fenómeno causa las pérdidas primarias de energía?
¿Cómo se modifica la magnitud de las pérdidas primarias si para una longitud y diámetro de tubería constante se duplica la velocidad?
¿Cuál es el significado del término Radio hidráulico?


3. Conceptos fundamentales

Pérdidas de energía

En una tubería horizontal rugosa de diámetro interno constante D,se tienen dos piezómetros conectados en los puntos 1 y 2 separados una longitud L por la cual circula agua a una velocidad media V, como se muestra en la Figura 1.



Figura 1. Caída de presión


Al aplicar la ecuación de la energía tomando como nivel de referencia el eje central de la tubería, se obtiene:



Donde:

P/γ Energía debida a la presión
Z Energía debida a laaltura
 Energía debida a la velocidad
hf1-2 Pérdida de presión entre 1 y 2
Según esta configuración, en cada punto las velocidades tienen la misma magnitud al igual que las alturas. Por lo tanto:



La diferencia de presión estará en función de la diferencia en el nivel del agua en los piezómetros (H en la Figura 1).


Coeficiente de fricción

El coeficiente de fricción deDarcy – Weisbach permite calcular las pérdidas por fricción en una expresión válida para régimen laminar o turbulento:



Igualando las ecuaciones (2) y (3), se obtiene una expresión para el coeficiente de fricción experimental (fexp):





Donde V es la magnitud de la velocidad media, que puede obtenerse a partir de cualquier método de aforo, ya sea volumétrico, de caída libre, tuboVenturi, etc.

Por su parte, el valor teórico del coeficiente de fricción (fT) se obtiene mediante el diagrama de Moody, si se conoce el Número de Reynolds para el flujo en la tubería (Re = VD/v) y la Rugosidad relativa (ε/D) de la pared (donde ε es la rugosidad de la pared interior que depende del material y D su diámetro interior).

Así, el valor teórico de la pérdida de energía por fricciónentre los puntos 1 y 2 (hft) puede calcularse empleando la ecuación (3):

La pérdida de energía por fricción también puede ser determinada a partir de la expresión empírica para la velocidad de Hazem–Williams, la cual tiene una gran precisión para:

Fluidos cuya viscosidad sea cercana a la del agua a 60°F (~ 15.5 °C).
Diámetros de tubería entre 1 y 180 pulgadas (0.0254 a 4.572 m).

Así:Donde:

V Velocidad media del flujo [m/s]
Rh Radio hidráulico [m]. Para una tubería de diámetro interno D, es igual a Rh=D/4.
S Pendiente de la línea piezométrica (S=hf / L).

Así, la pérdida de fricción es:



Donde L es la longitud [m], Q es el caudal [l/s] y D el diámetro interno de la tubería [m]. Algunos valores para CHW se dan en la Tabla 1


Tabla 1. Algunos coeficientes deHazem-Williams

Tubería
CHW
Recta y muy lisa
140
De fundición, lisa, nueva
130
De fundición, usada
110
De fundición, algunos años de servicio
110
De fundición, malas condiciones
80


En esta práctica, se determinará el Coeficiente de Hazem–Williams luego de igualar las ecuaciones (2) y (5).

Líneas: gradiente hidráulico y piezométrica

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