UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE

FACULTAD DE INGENIERÍA
Departamento de Ingeniería Mecánica
SANTIAGO

TITULO DE LA EXPERIENCIA

ESTUDIO DE DESARROLLO CAPA LIMITE

______________________________________________________________________________________________________

EXPERIENCIA N°: C901 Grupo N°: 02 Fecha de la Experiencia: 30-10-2015 Fecha de Entrega : 09-11-2015

NOMBRE ASIGNATURA: Mecánica de Fluidos II CÓDIGO: 9513

CARRERA: Ingenieria Civil Mecánica Modalidad (Diurna o Vespertina) : Vespertina

NOMBRE DEL ALUMNO: Montanares Pinar César Antonio
Apellido Paterno Apellido Materno Nombre

________________________
Firma del alumno
Fecha de Recepción

Nota de Interrogación ________________ Nombre del Profesor: Claudio Velasquez Segovia

Nota de Participación ________________

Nota de Informe ______________________________ _______________________

Nota Final __________________ ______ Firma del Profesor
SE RECOMIENDA AL ESTUDIANTE MEJORAR EN SU INFORME LA MATERIA MARCADA CON UNA X
________ Presentación ________ Cálculos, resultados, gráficos
________ Características Técnicas ________ Discusión,
conclusiones
________ Descripción del Método seguido _______ Apéndice
OBSERVACIONES
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EXPERIENCIA E932

ORIFICIO DE PARED DELGADA

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INDICE

1 Resumen del contenido del informe 4

2 Objetivos de la experiencia 4
2.1 Objetivo general 4

2.2 Objetivos específicos 4

3 Características técnicas de los equipos e

instrumentos empleados 5
3.1 Equipo de orificio de pared delgada vertical

3.2 Probeta 5

3.3 Cronometro (celular) Papel milimetrado 6

4 Descripción del método seguido 7

5 Presentación de resultados 9
5.1 Denominación de parámetros para tabla (1).

5.2 Denominación de parámetros para tabla (2).

5.3 Denominación de parámetros para tabla (3).

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6 Discusión de los resultados, conclusiones y

observaciones personales 13

7 Apéndice 13
7.1 Teoría del experimento 13

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8 Bibliografía y temario del experimento 17

1 Resumen del contenido del informe

El presente informe de laboratorio se basa en la experimentación de salida de flujo

a través de un orificio de pared delgada vertical, con el fin de obtener y evaluar los
distintos coeficientes hidráulicos a partir de una toma de datos variando la salida o
alcance del flujo.

2 Objetivos de la experiencia

2.1 Objetivo general

El objetivo general consiste en estudiar las características de la salida de un flujo

por un orificio de pared delgada vertical. Para lo cual se aplican las ecuaciones
(Bernoulli y continuidad).

2.2 Objetivos específicos

Determinar los distintos coeficientes hidráulicos: caudal, velocidad y área que

hacen que el valor teórico varíe del real. Analizar y graficas dichos coeficientes en
función del caudal y la altura de carga.

4
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3 Características técnicas de los equipos e instrumentos empleados

3.1 Equipo de orificio de pared delgada vertical

Diámetro de orificio: 13.2 [mm] Medidor de nivel: 0-0.65 [m]

Imagen (1) Equipo de orificio de pared delgada utilizado en la experiencia.

3.2 Probeta
Capacidad: 2000 [cc]

5
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3.3 Cronometro (celular) Papel milimetrado

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4 Descripción del método seguido

La experiencia comienza con una breve introducción sobre los conceptos a

comprender y utilizar en el desarrollo del laboratorio. Además, se explica el
funcionamiento del equipo de orificio de pared delgada vertical con el fin de evaluar
los coeficientes hidráulicos de caudal, velocidad y área.

En la tabla de papel milimetrado se encuentra el diámetro del orificio del equipo en

escala 2:1 el cual se anexa para los cálculos posteriores al igual que se obtiene la
profundidad la cual será constante para todas las mediciones.

En la misma, se encuentran marcadas las distancias en centímetros que será la que

recorra el agua al momento de salir por el orificio. Para obtener estas distancias, se
trabajó con alturas de carga desde 60 a 20 [cm] verificadas por el nivel ubicado en el
equipo, disminuyendo de 5 en 5 con el fin de obtener un total de 9 mediciones.

Se dispone el llenado del equipo de orificio de pared delgada mediante la llave de

paso de agua hasta una altura de 60 [cm], procurando mantener un nivel estable y
regulando con mucho cuidado la cantidad de agua ingresada y la cantidad de agua
de salida.

En este punto se observa el alcance del flujo al momento de salir del orificio y se
procede a tomar la medida de la distancia recorrida mediante el papel milimetrado.
Se realiza este procedimiento de manera exacta con el resto de las mediciones
recordando mantener los niveles de altura de carga lo más estable posible.

Además, con cada valor de altura diferente, se procede al llenado de agua de una
probeta de 2 litros de capacidad con el fin de obtener el caudal generado para cada

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medida. En este paso se tomó el tiempo de llenado hasta una cantidad registrada
por la probeta.

Finalmente, se anexan todos los datos obtenidos para realizar los cálculos y obtener
los coeficientes hidráulicos y la variación respecto a la altura de carga.

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5 Presentación de resultados

Valores obtenidos durante el desarrollo de la experiencia y calculados

inmediatamente para cada una de las diferentes mediciones.

5.1 Denominación de parámetros para tabla (1).

(Tabla N°1)
Medición h [cm] h real [cm] X0 [cm] Vol [cm3] Tiempo [s] Q [cm3/s]
1 20 20.2 33 1300 7.02 185.19
2 25 25.2 37 1350 6.36 212.26
3 30 30.3 41 1245 5.17 240.81
4 35 35.3 44 1340 5.38 249.07
5 40 40.1 48 1245 4.86 256.17
6 45 45.1 51 1250 4.84 258.26
7 50 50.2 54 1300 4.21 308.79
8 55 55.2 56 1160 3.54 327.68
9 60 60.3 59 1560 4.39 355.35

h: Altura de carga referencial

hReal: Altura de carga real
t: Tiempo
Vol: Volumen de trabajo contenido en la probeta
X0: Alcance o distancia en el eje x del agua

5.2 Denominación de parámetros para tabla (2).

Y0: Profundidad
Ø: Diámetro del orificio
(Tabla N°2)

Y0 [cm] Ø [m
23 0.0132

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5.3 Denominación de parámetros para tabla (3).

V: Velocidad teórica
V0: Velocidad real
A: Área teórica
A0: Área real
CV: Coeficiente de velocidad
CA: Coeficiente de contracción
CQ: Coeficiente de descarga
Re: Reynolds

(Tabla N°3)
V [cm/s] V0 [cm/s] CV A0 [cm2] A [cm2] CA CQ Re
199.08 150.76 0.76 1.23 1.368 0.90 0.68 1984
222.36 169.04 0.76 1.26 1.368 0.92 0.70 2225
243.82 187.31 0.77 1.29 1.368 0.94 0.72 2465
263.17 201.02 0.76 1.24 1.368 0.91 0.69 2646
280.49 219.29 0.78 1.17 1.368 0.85 0.67 2886
297.47 233.00 0.78 1.11 1.368 0.81 0.63 3066
313.83 246.71 0.79 1.25 1.368 0.91 0.72 3247
329.09 255.84 0.78 1.28 1.368 0.94 0.73 3367
343.96 269.55 0.78 1.32 1.368 0.96 0.76 3547

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6 Discusión de los resultados, conclusiones y observaciones personales

En relación con los resultados obtenidos se puede afirmar:

 Para cada medición obtenida y realizada en laboratorio se logra verificar una

relación entre las diferentes alturas de carga trabajadas junto con los
alcances X0. Se afirma que el alcance del chorro de agua que sale del orificio
de pared delgada disminuye a consecuencia de la disminución de las alturas
de carga, existiendo una relación proporcional.
 También se verifica mediante la Tabla (3) que los valores de velocidad y
caudal también disminuyen a medida que se baja la altura de carga.
 El área del chorro de agua varía entre márgenes muy pequeños para cada
medida de altura de carga. Esta área real obtenida es parecida al área
teórica calculada con el diámetro constante del orificio de pared delgada.
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 Según los valores registrados en la Tabla (3) se verifica que los coeficientes
de velocidad y de área se encuentran entre márgenes correspondientes y
menores que 1. Una excepción es el coeficiente de velocidad el cual debería
estar en un rango de 0.96 y 0.99. Este se encuentra entre 0.89 y 0.92, pero
se debe recordar que no hay manera de calcular las pérdidas, por ende el
valor es cercano pero no pertenece al rango de la teoría.

7 Apéndice

7.1 Teoría del experimento

A) Orificio en un estanque
Un orificio puede utilizarse para medir el caudal de salida de un depósito o a través
de una tubería. Un orificio en un estanque puede estar ubicado en la pared o en el
fondo. Es una abertura usualmente redonda, por la cual fluye un fluido, el área del
orificio es el área de la abertura. En el orificio el chorro se contrae a lo largo de una
corta distancia de alrededor de medio diámetro aguas debajo de la abertura. La
porción del flujo que se aproxima a lo largo de la pared no puede hacer un giro de
ángulo recto en la abertura y, por ende, mantiene una componente de velocidad
radial que reduce el área del chorro. El área de la sección transversal donde la
contracción es máxima se conoce como la vena contracta. Las líneas de corriente
en esta sección a través del chorro son paralelas y la presión es atmosférica. La
altura h sobre el orificio se mide desde el centro de este hasta la superficie libre. Se
supone que la cabeza se mantiene constante. La ecuación de Bernoulli desde el
punto 1 en la superficie libre hasta el centro de la vena contracta, punto 2, con la
presión atmosférica local como dato y el punto 2 como el dato de elevación,
despreciando las pérdidas, se escribe como:
(V12/2g) + (P1/γ) + Z1 = V22 + (P2/γ) + Z2

Reemplazando los valores dados se tiene:

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V2  2gh  V

Esta es únicamente la velocidad teórica, debido a que se han despreciado las

pérdidas entre los dos puntos. La relación entre la velocidad real V0 y la teórica V
se conoce como coeficiente de velocidad C V, es decir:
CV = V0 / V

El caudal real Q0 del orificio es el producto de la velocidad real en la vena

contracta y el área del chorro, como esta última es “difícil” de medir directamente
se procede a calcular el volumen del fluido respectivo y el tiempo que fluye este.
La relación entre el área del chorro A 0 en la vena contracta con respecto al área del
orificio A se simboliza mediante otro coeficiente, conocido como el coeficiente de
contracción CA, es decir:
CA=A0/A
El área en la vena contracta está dada por A0 = CAA. Luego el caudal real queda

Q0 = CV CA A 2gh

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 Se acostumbra combinar los dos coeficientes en un coeficiente de descarga
CQ como
CQ = CVCA
No hay manera de calcular las pérdidas entre los puntos 1 y 2, por ende C V
se debe determinar experimentalmente. Este varía desde 0.95 hasta 0.99.

B) Desarrollo de los cálculos

(1) Caudal = Q = V / t [m3/s]

(2) Velocidad Real = V0 = √(g/2y0)X0 [m/s]

(3) Velocidad teórica = V = √(2gh) [m/s]

(4) Área real = A0 = Q / V0 [m/s]

(5) Área teórica = A = πD2/a [m2]

(6) Coeficiente de velocidad = CV = V0/V

(7) Coeficiente de contracción = CA = A0/A

(8) Coeficiente de descarga = CQ = CV*CA

Utilizando los datos obtenidos en Tabla (1) se determina el valor de caudal,

velocidad real y velocidad teórica. Además con los valores obtenidos para
velocidad real y caudal, es posible obtener el área real.
(1) Q = 0.00196 / 5.81 = 3.37x10-4 [m2/s]
(2) V0 = √(9.81 / 2*0.23) * 0.678 = 3.1310 [m/s]
(3) V = √(2*9.81*0.603) = 3.4396 [m/s]
(4) A0 = (3.37x10-4 / 3.1310) = 1.0763x10-4 [m2]
(5) A = (π*0.01322/ 4) = 1.388410-4 [m2]

Junto con los resultados expuestos en la Tabla (3) y calculados con anterioridad, es
posible determinar los coeficientes hidráulicos.

(6) CV = 3.1310 / 3.4396 = 0.9103

(7) CA = 1.0763x10-4 / 1.3684x10-4 = 0.7865
(8) CQ = 0.9103 * 0.7865 = 1.1574

El resto de los caculos no se realizará para no ser redundante en los mismos, ya

que se calculan de la misma manera presentada con las formulas a utilizar.
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8 Bibliografía y temario del experimento

Departamento de Ingeniería Mecánica. Guía de laboratorio. “Experiencia E-932; “Orificio de pared

delgada”. Santiago: Universidad de Santiago de Chile.

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