Trabajo de Investigacion Hidraulica de Conductos
Trabajo de Investigacion Hidraulica de Conductos
Trabajo de Investigacion Hidraulica de Conductos
HIDROLOGIA DE CONDUCTOS
Profesor Jorge Maria Chávez Ydrogo
Apellido y Nombre
2021-02
INDICE
1. Introducción
2. Resumen
3. Objetivos
4. Ubicación
6. Marco Teórico
6.1. Definiciones Técnicas y Ecuaciones Relacionadas con el Tema
7. Cálculos de hidrostáticas
7.1. Despreciando el peso de la compuerta
7.2. Tomando en cuenta el peso de la compuerta
8. Sistema de Tuberías
8.1. Diseño de la tubería para llevar agua desde el pozo hasta el tanque
8.2. Uso del Software EPANET
8.2.1. Plano de red (Presión - Caudal)
8.2.2. Plano de red (Cota - Velocidad)
8.2.3. Plano de red (Presión – Perdida Unitaria)
8.3. Perfiles Longitudinales
8.4. Analizando las Perdidas de energía
8.5. Tabla Red – Nudos
8.6. Tabla Red – Líneas
9. Cantida de Movimiento
12. Conclusiones
13. Recomendaciones
14. Bibliografía
1. Introducción
La Mecánica de fluidos forma parte de la física por lo cual esta es una ciencia que
estudia las leyes de los fluidos además de la interacción con cuerpos sólidos, de
igual forma describe todo lo que se relaciona a ellos y tambien se centran en el
comportamiento mecánico de los fluidos, como puede ser su movimiento, la
presión que estos ejercen y alteran los movimientos de los objetos que se
encuentren dentro de ellos.
El presente informe tiene como principal objetivo planificar una red de tuberías
de abastecimiento de agua para una sección del poblado de tembladera, capital del
distrito de Yonan provincia Cajamarca, el cual está ubicado cerca de la represa de
Gallito ciego. Mediante este informe se aplicará todo lo que se aprendió en clase
buscando soluciones a los problemas que se nos presenten y haciendo una
proyección de como enfrentaremos los futuros problemas en nuestra vida
profesional a continuación se desarrollara detalladamente el trabajo final resultado
de lo aprendido durante todo el ciclo.
2. Resumen
4. Ubicación
La represa de gallito ciego se encuentra ubicada en el distrito de Yonan Provincia
de Contumazá, región Cajamarca. A 33.5 km de la carretera a Cajamarca al sur
del Perú a una altura de 30 m.s.n.m., junto a la localidad de Tembladera capital
del distrito antes mencionado.
de 417 m
Densidad:
Dentro de la hidrostática podemos hablar de la densidad que se define como
la cantidad de masa de un material por unidad de volumen. tambien
podemos decir que la densidad es una propiedad intrínseca es decir que no
depende del tamaño del material, esta dependerá de la temperatura y el
estado físico en el cual se encuentre la materia.
Cohesión:
Fuerza que mantiene unidas a las moléculas de una misma sustancia, fuerza
de atracción, esta atracción se da en moléculas de semejantes líquidos y
recibe nombre de fuerza cohesiva. Los sólidos presentan una mayor
cohesión, seguido por los líquidos y por último los gases.
Tensión superficial:
Es la atracción entre las moléculas de la superficie de un líquido.
Adherencia:
Fuerza de adherencia que existe entre dos o más moléculas de una misma
sustancia, esta fuerza es mucho mayor que la fuerza de cohesión.
P: Presión ejercida
h: Altura vertical medida
g: gravedad
p: Densidad del agua
ℎ𝑐 ℎ𝑝
ℎ𝑐 𝑦𝑝
ℎ𝑐 = 𝑦𝑐𝑥 𝑠𝑒𝑛(𝜃𝜃)
ℎ𝑝 = 𝑝 𝑥 𝑠𝑒𝑛(𝜃𝜃)
Fuerzas másicas, estas son las fuerzas exteriores que actúan sobre una masa
dentro de un elemento líquido. Sabemos que por gravedad dependen del
peso del elemento considerado y por ende son proporcionales al producto
de las tres dimensiones (dx, dy, dz), es decir, el volumen.
Teorema de Steinner
𝑦𝑝 = 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑝𝑙𝑐𝑐𝑐𝑎𝑐𝑐𝑐𝑜𝑛
𝑦 = 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜𝑐𝑐𝑑𝑒
𝐼𝑥 = 𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝐼𝑛𝑒𝑟𝑐𝑐𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝑥 𝑟𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑡𝑜 𝑎𝑙 𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜𝑐𝑐𝑑𝑒
Sistema
Es una cantidad de fluido cuya masa e identidad permanecen fijas durante el
análisis, por lo que puede cambiar de forma, posición y propiedades
termodinámicas; pero siempre debe poseer la misma materia.
Volumen de control: Un volumen de control es una región que se elige para el
análisis y se emplea el método de Euler.
Figura 8:
Ecuación de Continuidad en el Sistema
Es un sistema definido como una cantidad de fluido cuya masa e identidad
permanecen durante el análisis.
Conservación de la materia:
Observación:
Por ello:
Flujo en Tuberías
Generalmente las tuberías son empleadas en el transporte de fluidos, ya sean
gaseosos y/o líquidos. En este caso, nos concentramos en los fluidos
líquidos, donde al transportarse en tuberías, el fluido sufre una pérdida de
energía de presión generado por la fricción y el aumento de su energía
interna. Para un mayor entendimiento, abordaremos los siguientes
conceptos relacionados a la pérdida:
Flujo Laminar
En el flujo laminar podemos observar el comportamiento de las partículas
donde la distribución de la velocidad en la tubería es desigual. Esto se
presencia principalmente en los extremos internos de la tubería, donde la
velocidad del fluido es disminuido por acción de la fricción. De esta forma,
la pérdida de carga es proporcional a la velocidad media del fluido.
Figura 9:
Flujo turbulento
En este tipo de flujo, el patrón de flujo se caracteriza por movimientos
impredecibles y no estacionarios. En este caso, la distribución de
velocidades es prácticamente constante en gran parte de la sección
transversal de la tubería. Además, al contrario que el flujo laminar, la
pérdida de carga es proporcional al cuadrado de la velocidad media del
fluido.
Figura 10:
Número de Reynolds
El número de Reynolds es la relación de fuerzas de inercia a fuerzas viscosas
y es un parámetro adimensional conveniente para predecir si una condición
de flujo será laminar o turbulento. Se puede interpretar que cuando las
fuerzas viscosas son dominantes (flujo lento, baja Re) son suficientes para
mantener todas las partículas de fluido en línea, entonces el flujo es laminar.
Incluso Re muy bajo indica movimiento de arrastre viscoso, donde los
efectos de inercia son insignificantes. Cuando las fuerzas de inercia dominan
sobre las fuerzas viscosas (cuando el fluido fluye más rápido y Re es más
grande), el flujo es turbulento. De esta forma, la interpretación del número
de Reynolds es la siguiente:
Donde:
Pérdida de Carga
Donde:
• Z1 y Z2 : Cargas o energía de posición
• P1/ y P2/ : Cargas o energías de presión
• V1/2g y V2/2g: Cargas o energías de velocidad
• hp1-2 : Pérdidas de energía de la sección 1 a la sección 2
Método de Darcy-Weishach
Donde:
• hf : Pérdida de carga debida a la fricción.
• f : Factor de fricción de Darcy
• L : Longitud de tubería (m).
• D : Diámetro interno de la tubería (m).
• V : Velocidad media del fluido (m/s).
• g : Aceleración de la gravedad.
Hazen-Williams:
7. Cálculos de hidrostáticas
Para el proyecto se tiene un taque de agua, que cuenta con una polea interior
conectada a la compuerta ubicada en la parte inferior de todo el tanque impidiendo
que el agua salga de este. La principal función de la polea es para poder abrir la
compuerta permitiendo que el agua circule por el sistema que se diseñara
posteriormente.
Dentro de los cálculos tenemos lo siguiente:
• La fuerza que ejercerá el cable de la polea para abrir la compuerta, considerando
dos casos diferentes: despreciando el peso de la compuerta y considerándolo.
• En el siguiente dibujo se muestra donde se ejercerá la fuerza de la polea.
Desarrollo:
Datos para el desarrollo de los cálculos
o Cálculo de 𝐻𝑐
𝑐𝑜𝑠(𝟑𝟑𝟑𝟑°) = 𝑎/𝟑𝟑. 𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐
𝐻𝑐 = 𝟐𝟐 − (𝟑𝟑. 𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐/𝟐𝟐)
𝐻𝑐 = 𝟐𝟐. 𝟖𝟖𝟐𝟐𝟑𝟑𝟐 𝟐 𝑚
𝐴𝑜 = 𝜋 × (∅)𝟐𝟐 /𝟐𝟐
𝐴𝑜 = 𝟑𝟑. 𝟑𝟑𝟐𝟐𝟐𝟐𝑚𝟐𝟐
o Volumen de la compuerta:
∀= (𝜋 × (∅)𝟐𝟐 /𝟐𝟐) × 𝑒
𝐹ℎ = 𝜸𝜸𝑾𝑾 . 𝐻𝑐 . 𝐴
𝟐𝟐
𝑏=
𝑐𝑜𝑠(𝟑𝟑𝟑𝟑°)
𝑏 = 𝟐𝟐. 𝟕𝟕𝟕𝟕𝟑𝟑𝟐 𝟐 𝑚
𝑂𝐴
𝑌𝑐 = 𝑏 −
𝟐𝟐
𝟑𝟑. 𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐
𝑌𝑐 = 𝟐𝟐. 𝟕𝟕𝟕𝟕𝟑𝟑𝟐𝟐 −
𝟐𝟐
𝑌𝑐 = 𝟐𝟐. 𝟔𝟔𝟐𝟐𝟔𝟔𝟐 𝟐 𝑚
𝐼𝑐
𝑌𝑝 = 𝑌𝑐 +
(𝑌𝑐 ∙ 𝐴)
𝐼𝑐 = 𝜋 × 𝑟𝟐𝟐 /𝟐𝟐
𝜮𝜮𝑀𝑜 = 𝟑𝟑
𝑀 = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑐𝑐𝑑𝑎𝑑 𝑥 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛
𝑀 = 7930𝑥 9.97456𝑥 10−3
𝑀 = 79.0982
𝑤 = 𝑀𝑥 𝐺𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑
𝑤 = 79.0982𝑥 9.81
𝑤 = 775.9537
𝜮𝜮𝑀 = 𝟑𝟑
𝑾𝑾 𝗑 𝑟 + 𝐹 ��𝑦𝑝 − 𝑦𝑐 � + 𝑟 � − 𝑇𝗑 𝑠𝑒𝑛(𝟑𝟑𝟑𝟑)𝗑𝑑𝒙𝒙𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 = 𝟑𝟑
𝟕𝟕𝟕𝟕𝟐𝟐. 𝟐𝟐𝟐𝟐𝟑𝟑𝟕𝟕𝗑 𝟑𝟑. 𝟐𝟐𝟐𝟐𝟕𝟕 + 𝟐𝟐𝟐𝟐𝟑𝟑𝟑𝟑. 𝟕𝟕𝟕𝟕�(𝟐𝟐. 𝟔𝟔𝟐𝟐𝟕𝟕𝟐𝟐 − 𝟐𝟐. 𝟔𝟔𝟐𝟐𝟔𝟔𝟐𝟐) + 𝟑𝟑. 𝟐𝟐𝟐𝟐𝟕𝟕� − 𝑇𝗑 𝑠𝑒𝑛(𝟑𝟑𝟑𝟑)𝗑𝟑𝟑. 𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐 = 𝟑𝟑
𝑇 = 3220.121645
𝑀 = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑐𝑐𝑑𝑎𝑑 𝑥 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛
𝑀 = 8920𝑥 9.97456𝑥 10−3
𝑀 = 88.9731
𝑤 = 𝑀𝑥 𝐺𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑
𝑤 = 88.9731𝑥 9.81
𝑤 = 872.8261
𝜮𝜮𝑀 = 𝟑𝟑
𝑾𝑾 𝗑 𝑟 + 𝐹 ��𝑦𝑝 − 𝑦𝑐 � + 𝑟 � − 𝑇𝗑 𝑠𝑒𝑛(𝟑𝟑𝟑𝟑)𝗑𝑑𝒙𝒙𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 = 𝟑𝟑
𝟖𝟖𝟕𝟕𝟐𝟐. 𝟖𝟖𝟐𝟐𝟔𝟔𝟐𝟐𝗑 𝟑𝟑. 𝟐𝟐𝟐𝟐𝟕𝟕 + 𝟐𝟐𝟐𝟐𝟑𝟑𝟑𝟑. 𝟕𝟕𝟕𝟕�(𝟐𝟐. 𝟔𝟔𝟐𝟐𝟕𝟕𝟐𝟐 − 𝟐𝟐. 𝟔𝟔𝟐𝟐𝟔𝟔𝟐𝟐) + 𝟑𝟑. 𝟐𝟐𝟐𝟐𝟕𝟕� − 𝑇𝗑 𝑠𝑒𝑛(𝟑𝟑𝟑𝟑)𝗑𝟑𝟑. 𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐 = 𝟑𝟑
𝑇 = 3316.994045
8. Sistema de Tuberías
8.1. Diseño de la tubería para llevar agua desde el pozo hasta el tanque
El diseño de red tubería está compuesto por tuberías, nudos (uniones entre las
tuberías), válvulas, la bomba y depósitos de almacenamiento o embalse. Para
el diseñar este sistema de tuberías de una sección de la comunidad de
tembladera recolectamos los siguientes datos del programa Google Earth:
Figura 15: cuadro de las cotas de cada nodo.
Fuente: propia Excel.
Asumimos una población futura: mediante censos nacionales del INEI desde el
año 2017 en zonas rurales.
850𝑥140
= 13.838 𝑙𝑝𝑠
86400
o Cota
➢ Tuberia Tanque – A
Longitud: 193.00 m
Perd. Unitaria: 48.22 m/km
ℎ𝑓 = (193 ∗ 48.22)/1000
ℎ𝑓 = 9.306 𝑚
➢ Tuberia A - B
Longitud: 53.00 m
Perd. Unitaria: 22.07 m/km
ℎ𝑓 = (53 ∗ 22.07)/1000
ℎ𝑓 = 1.170 𝑚
➢ Tuberia B - C
Longitud: 62.50 m
Perd. Unitaria: 52.90 m/km
ℎ𝑓 = (62.50 ∗ 52.90)/1000
ℎ𝑓 = 3.306 𝑚
PERDIDA PERDIDA DE
LONGITUD
TUBERIAS RUTAS UNITARIA CARGA POR
(metros)
(m/km) FRICCION (hf)
RESERVORIO-TANQUE RUTA 0 268.00 - -
TANQUE-A RUTA 1 193.00 48.22 9.306
A-B RUTA 2 53.00 22.07 1.170
B-C RUTA 3 62.50 52.90 3.306
C-D RUTA 4 47.30 37.19 1.759
D-E RUTA 5 55.70 12.01 0.669
E-F RUTA 6 74.40 29.62 2.204
E-G RUTA 7 54.20 15.74 0.853
D-H RUTA 8 37.90 3.06 0.116
H-I RUTA 9 54.90 16.15 0.887
B-J RUTA 10 34.90 11.35 0.396
J-K RUTA 11 38.90 7.36 0.286
K-L RUTA 12 47.30 3.93 0.186
L-M RUTA 13 58.00 18.01 1.045
A-N RUTA 14 59.90 30.99 1.856
N-Ñ RUTA 15 64.60 19.72 1.274
Ñ-O RUTA 16 53.40 10.42 0.556
O-P RUTA 17 55.00 4.95 0.272
P-Q RUTA 18 63.20 21.38 1.351
9. Cantidad de Movimiento
Para el desarrollo de esta sección, hemos aplicado los principios de continuidad y
cantidad de movimiento para calcular la fuerza que ejerce el agua en cada nodo.
Empezamos con el cálculo del Nodo A teniendo en cuanto las velocidades (m/s) y
los caudales (lt/s). Para el buen desarrollo de los cálculos, haremos las respectivas
conversiones de los caudales de Lt/s a m3/s. De esta forma, presentamos lo siguiente:
• NODO A
VELOCIDAD CAUDAL
➢ 𝐹𝑅 = �𝐹𝑥2 + 𝐹𝑦2
𝐹𝑅 = �6.042 + 15.772
𝐹𝑅 = 16.79 𝑁
𝑉𝑚 × 𝐷𝑚 𝑉𝑝 × 𝐷𝑝
=
𝑣𝑚 𝑣𝑝
𝑉𝑝 × 𝐷𝑝 × 𝑣𝑚
𝑉𝑚 =
𝑣 𝑝 × 𝐷𝑚
Considerando la misma temperatura en el prototipo y el modelo
𝑣𝑚 = 𝑣 𝑝
𝑉𝑝 × 𝐷𝑝
𝑉𝑚 =
𝐷𝑚
v
Escala 1/50
𝐷𝑝
= 50
𝐷𝑚
Velocidad
𝑉𝑚 = 𝑉𝑝 × 50
Caudal
𝑄𝑄𝑚 = 𝑉𝑚 × 𝐴𝑚
11. Conclusiones
o Si cambia la escala de la red de tuberías la velocidad varía significativamente
mientras que el caudal solo por décimas.
o Para el sistema de tuberías al realizar los cálculos y en base al gráfico
comparativo, se concluyó que a mayor sea el espesor de la compuerta en el tanque,
mayor es la fuerza de tensión que se requiere para abrirla. El peso específico del
material, también se relaciona de manera directamente proporcional al aumento
en la tensión. Sin embargo, al ser esta compuerta muy pequeña, en comparación
al tanque, su peso y espesor no influyen en gran manera.
o Nuestro sistema de nodos va a presentar desplazamientos pequeños en dirección
de la resultante. Además, si la velocidad y los caudales son menores, las fuerzas
también serán menores. Esto quiere decir que las fuerzas son directamente
proporcionales a las velocidades y a los caudales.
o Para el desarrollo de nuestra red y el correcto empleo del software
Epanet, hicimos modificaciones en el diámetro de la tubería en comparación con
las calculadas con la fórmula de Hazen-Willianms. Dichas modificaciones
fueron realizadas para un correcto funcionamiento de nuestra red teniendo en
cuenta las presiones generadas en los nodos y las pérdidas unitarias en tuberías.
12. Recomendaciones
o Se recomienda usar el Excel para la parte de cálculos en los distintos tramos.
o Se recomienda probar los diámetros para las tuberías en epaten ya que estos
pueden afectar mucho las presiones y alturas en ellos, de esa manera solucionar
algún problema sobre las presiones negativas.
o Se recomienda tener el programa Google Earth, para trabajar de manera más
eficaz ya que esto facilita la recolección de datos y evita el que estos se pierdan o
confundan con otros diferentes dañando los cálculos.
o Tomar en consideración la creación de la curva característica de la Bomba, ya que
podría salir una señal de advertencia en el EPANET diciendo que la bomba fue
cerrada porque no puede aportar altura. Para esta, usamos la diferencia de cotas
así como el caudal de diseño.
13. Bibliografía
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darcy-weisbach-definicion/