GUIA-LABORATORIO-ING.-HIDRULICA-2022-I.pdf

UNIVERSIDAD RICARDO PALMA LABORATORIO CENTRAL DE
FACULTAD DE INGENIERIA HIDRAULICA Y MEDIO AMBIENTE
1
UNIVERSIDAD RICARDO PALMA
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL
LABORATORIO CENTRAL DE HIDRAULICA Y MEDIO
AMBIENTE
GUIAS DE LABORATORIO DE INGENIERIA HIDRAULICA

1
ROL DE PRACTICAS DE LABORATORIO DE INGENIERIA HIDRAULICA
Semestre Académico: 2022-I
N° LAB. FECHA TEMA DE LABORATORIO
01 1° Semana y 2° Semana Introducción a los Laboratorios
02 3° Semana
Flujo Uniforme y Coeficiente de Rugosidad en
Conductos Abiertos
4° Semana
03
5° Semana
Energía Especifica y Fuerza Especifica
6° Semana
7° Semana
8° Semana
04
9° Semana
Resalto Hidráulico en Canales Abiertos
10° Semana
11° Semana
12° Semana
05
13° Semana
Flujo Gradualmente Variado
14° Semana
15° Semana
16° Semana

2
TALLER N°1: FLUJO UNIFORME Y COEFICIENTES DE RESISTENCIA EN
CONDUCTOS ABIERTOS
1.0 INTRODUCCION
El flujo dentro de un canal se origina por efectos de la gravedad que actúa en el sentido de la
pendiente del canal.
El flujo uniforme es una condición de equilibrio que tiende a producirse cuando el canal es lo
suficientemente largo y tiene: pendiente, sección transversal y rugosidad constante.
La relación de las fuerzas de inercia con las de gravedad, nos da el Número de Froude, que define el
tipo de régimen de flujo en el canal.
La pérdida de energía del flujo en conductos abiertos, naturales o artificiales es una preocupación
constante de la ingeniería y ha sido estudiada por diferentes investigadores.
Manning y Chezy son los autores más reconocidos que han propuesto expresiones para el cálculo
de las velocidades de corrientes, en los cuales figuran coeficientes o factores de corrección “n” y
“C” que tratan de estimar la resistencia de las rugosidades al paso del flujo.
2.0 OBJETIVO
El taller, ofrece la posibilidad de observar los diferentes regímenes de flujo que se presenta en una
conducción a superficie libre y determinar el valor de los coeficientes “n” de Manning y “C” de Chezy
en forma experimental.
3.0 BREVE PRINCIPIO TEORICO
Un Canal es un dispositivo para transportar líquidos. El movimiento del líquido se realiza por acción
de la gravedad, gracias al desnivel del fondo del canal. La presión en la superficie libre del líquido es
cero; es decir tan solo actúa la presión atmosférica.
Las secciones de canales pueden ser rectangulares, trapeciales, triangulares, parabólicas,
circulares, compuestas y en general de cualquier forma geométrica.
En tuberías el parámetro geométrico básico para diseño es el diámetro, mientras que en canales el
parámetro geométrico básico para diseño es el radio hidráulico. “Rh”.
Los canales, por lo general se diseñan para flujo permanente y uniforme, esto es que las
características del flujo en un punto no varían con el tiempo, además la profundidad, pendiente,
velocidad y sección recta permanecen constantes. En otras palabras, se cumple la ecuación de
continuidad. Para el diseño de este tipo de canales la formula mas utilizada es la de Manning, que no
esotra cosa que una modalidad de la ecuación de Chezy.
Ecuación de Manning:
2
1
3
2
S
R
n
1
V H
= ……………………… (1)
Ecuación De Chezy:
S
R
C
V
H
= ……………………… (2)
Donde:
V : Velocidad (m/s)
n : Coeficiente de rugosidad de Manning.
RH : Radio hidráulico
S : Pendiente hidráulica
C : Coeficiente de rugosidad de Cherzy

3
El número adimensional de Froude es el parámetro que indica rápidamente las condiciones de
escurrimiento de un flujo en una canalización a pelo libre.
F
V
g y
= …………………………….. (1)
en donde:
F < 1 indica régimen lento o de río
F > 1 indica régimen rápido o de torrente
F = 1 régimen crítico
V : es la velocidad media del flujo
Y : es la profundidad o tirante hidráulico del flujo
g : la aceleración de la gravedad.
4.0 EQUIPOS DE TRABAJO
− Canal de Pendiente variable
− Válvula
− Limnímetro
− Rotámetro
5.0 PROCEDIMIENTO
5.1 PROCEDIMIENTO DE LABORATORIO
− Disponga el canal con una pendiente “S” y determínela.
− Alimente el canal con caudal Q, mediante el sistema de suministro.
− Mida el ancho (“b”) de la sección del canal y la profundidad del agua.
− Manteniendo el mismo caudal, repetir el proceso para diferentes pendientes, según
indique el profesor del laboratorio.
5.2 PROCEDIMIENTO DE GABINETE
Usando las ecuaciones correspondientes expuestas en el breve principio teórico,
determinar el tipo de conducto, los coeficientes de Manning y Chezy y el régimen de
flujo en cada prueba.
6.0 DATOS Y SU PRESENTACION
Según ítem 3.7 de Redacción de informes, los datos obtenidos según el procedimiento, deben ser
registrados en un formato similar a la tabla Nº 1.
 =
S = tag 
b = 0.3m
 b
Figura N° 2

4
Tabla N° 1
Registro de información del Laboratorio “Coeficiente de resistencia en conductos abiertos”
Caudal Q =
Ancho de canal b =
Ensayo
N°
Inclinación  Pendiente
S = tag 
Tirante “y”
(cm)
1
2
3
4
5
7.0 CALCULO Y PRESENTACION DE RESULTADOS
Los resultados de todos los cálculos se deben presentar en un formato similar a la tabla Nº 2.
Tabla N° 2
Resultado de los cálculos del Laboratorio “Flujo confinado o con superficie libre”
Ensayo
N°
Q
(m3
/h)
S
y
(m)
A
(m2
)
P
(m)
Rh
(m)
C n Fr
Régimen
de flujo
1
2
3
4
5
8.0 CONCLUSIONES
En base a los datos, cálculos y gráficos que sirven de sustento para comprobar el principio teórico,
establezca las conclusiones pertinentes.

5
TALLER N°2: ENERGIA ESPECÍFICA Y FUERZA ESPECÍFICA
1.0 INTRODUCCION
La definición de Energía Específica fue introducida por Boris A. Backmetteff en 1912 y mediante su
consideración se pueden resolver los problemas más complejos de transiciones cortas en las que los
efectos de rozamiento son despreciables. El concepto de Energía Específica se aplica a condiciones
de flujo uniforme y permanente y, para canales con inclinaciones menores a 5°
2.0 OBJETIVO
Determinar experimentalmente la curva “y vs E” (tirante vs energía específica) del flujo en un canal
rectangular.
Determinar experimentalmente la curva tirante vs. fuerza específica (y vs. M) para el caso de un flujo
en un canal rectangular.
3.0 BREVE FUNDAMENTO TEORICO
3.1 ENERGÍA ESPECÍFICA
La energía del flujo en una sección cualquiera de un canal se define como:
E = y +
V
2g
2
 ........... ( 1 )
Donde:
E = energía
y = tirante
 = coeficiente de Coriolis
V = velocidad media del flujo
Si se considera  = 1 y se tiene en cuenta la ecuación de continuidad:
V =
Q
A
Donde:
Q = caudal
A = área
Reemplazando valores en la ecuación ( 1 ) se obtiene:
E = y +
Q
2 g A
S
2
2
............ ( 2 )
Siendo A = by (b = ancho del canal)
La energía específica según la ecuación (2) es entonces función del caudal Q y del tirante y.
Si se considera el caudal constante y se hace variar el tirante, se obtienen valores de y vs ES.
Estos valores se pueden llevar a un gráfico obteniéndose la curva de energía específica a caudal
constante, la cual posee las siguientes características:
La curva es asintótica al eje horizontal y a una recta inclinada a 45°; y posee 2 ramas y un valor
mínimo de la energía.

6
Figura N° 1
Para un mismo valor de ES existen 2 valores posibles del tirante del escurrimiento, los cuales son y1
e y2, que se denominan tirantes alternos.
3.2 FUERZA ESPECÍFICA
La sumatoria de la cantidad de movimiento en una sección del escurrimiento y la fuerza externa
hidrostática producida sobre la misma, dividida por el peso específico, se denomina fuerza
específica, y se simboliza por M. Así:
M =
 



Q V
+
y A
Donde:
Q = caudal
V = velocidad media del flujo
 = densidad del agua
 = peso específico del agua
 = coeficiente de Boussinesq
A = área mojada = y b, donde b = ancho de la sección
 y = presión en el centro de gravedad del área de la sección
Si consideramos que  = 1
M =


Q V
+ y A
Teniendo en cuenta que la ecuación de continuidad es: V = Q/A; y que 

=
g
: entonces:
M =
Q
g A
+ y A
2
Es la ecuación de la fuerza específica, que también se denomina “función momentum” o “cantidad
de movimiento específico”. Las dimensiones de la fuerza específica son las del cubo de una
longitud.
Para el caso de un canal rectangular: y =
y
2
; donde y es el tirante en la sección considerada.
Si se considera un caudal constante y se hace variar el tirante, se obtienen valores de y vs. M.
Estos valores se pueden llevar a un gráfico, obteniéndose la curva de fuerza específica a caudal
constante.

7
Esta curva posee dos ramas, AC y BC. La rama AC es asintótica al eje horizontal hacia la derecha.
La rama BC aumenta hacia arriba y se extiende indefinidamente hacia la derecha. Para cada valor
determinado de la fuerza específica la curva presenta dos tirantes posibles, y1 e y2, los cuales se
denominan tirantes conjugados. En el punto C, la fuerza específica es mínima y el tirante es el
tirante crítico.
Al tirante correspondiente a ESmin. Y Mmin. se le llama tirante crítico y a la velocidad correspondiente,
velocidad crítica; tratándose de un canal rectangular se puede demostrar que el tirante crítico es igual
a:
y
q
g
C
2
3
= ………………….. (3)
Siendo q =
Q
b
el caudal unitario
Así mismo, la Velocidad crítica: V = g y
C C
− Si y1 < yC entonces el flujo corresponde al estado supercrítico, es decir,
F =
V
g y
>
1
1
1
1
− Si y2 > yC el flujo será subcrítico y,
F =
V
g y
<
2
2
2
1
4.0 EQUIPO
* Canal de pendiente variable.
* Linnímetro.
* Rotámetro.
* Wincha.
5.0 PROCEDIMENTO
a. Establecer un flujo a través del canal y registrar el valor del caudal que pasa. Este caudal
se mantendrá constante durante toda la práctica.
b. Registrar el valor del ángulo “” que forma el fondo del canal con la horizontal.
c. Seleccionar una sección de ensayo y medir el tirante “Y”
d. Repetir los pasos b y c cinco veces más variando la pendiente del canal y manteniendo el
caudal constante

8
Los datos deberán consignarse en un cuadro con por lo menos 3 columnas: en la primera
columna debe anotarse el número de la prueba, en la segunda columna la pendiente del canal
y en la tercera columna el valor del tirante.
Determinar la velocidad en cada caso y usando la ecuación (1) obtener la energía específica,
la fuerza específica y número de Froude correspondiente.
Preparar un gráfico con “y vs. E”; Q constante.
Preparar un gráfico con “y vs. M”; Q constante.
Los datos obtenidos según el procedimiento, deben ser registrados en un formato similar a la tabla
Nº 1.
Q(m3
/h) cte. =
Tabla N° 1
Registro de información del Laboratorio “Energía Especifica”
Ensayo
N°
 y
(cm.)
1
2
3
4
5
7.0 CALCULOS Y PRESENTACION DE RESULTADOS
yC =
Q =
S = tag 
Tabla N° 2
Resultado de los cálculos del Laboratorio “Energía Especifica y Fuerza Mspecífica”
Ensayo
N°
S
y
(m)
V
(m/s)
E
(m)
F Tipo de flujo
1
2
3
4
5
Para determinar la fuerza específica, los resultados obtenidos serán presentados en un cuadro con
nueve columnas: en la primera columna se anotará el número de la prueba; en la segunda el valor
de la pendiente, S, del canal; en la tercera, el tirante, y; en la cuarta, el valor de Q2
/g A; en la
quinta, el valor de A
y ; en la sexta, la fuerza específica M; en la sétima columna, la velocidad
media, V; en la octava, el número de Froude, F; y en la novena columna el régimen de flujo.
8.0 CONCLUSIONES

9
TALLER N°3: RESALTO HIDRAULICO EN CANALES ABIERTOS
1.0 INTRODUCCION
Un salto hidráulico se formará en una conducción si el flujo es supercrítico, es decir, si el número de
Froude F1 del flujo es mayor que uno, El salto hidráulico tiene muchas aplicaciones en la ingeniería,
se utiliza como disipador de energía de las aguas que escurren sobre canalizaciones para prevenir la
erosión o socavación; para recuperar niveles de agua en canales con propósitos de medición o
distribución de las aguas; también se utiliza como herramienta estructural para incrementar peso
sobre un lecho amortiguador con la finalidad de reducir la presión hacia arriba; también tiene utilidad
como aereador para los fluidos que han sufrido confinamiento, etc, etc..
2.0 OBJETIVO
La práctica tiene como finalidad la observación experimental del fenómeno del salto hidráulico en el
canal de pendiente variable. Los datos obtenidos en la práctica del laboratorio permitirán comprobar
las relaciones propuestas por diferentes investigadores.
El salto hidráulico en una conducción se formará, sólo sí existen las siguientes condiciones:
− El número de Froude F1 > 1
− La profundidad de aproximación del flujo Y1 y la profundidad aguas abajo del salto Y2
satisfacen la ecuación:
( )
Y
Y
2
1
=
1
2
1 + 8F - 1
1
2
1
2





 ……………… (1)
Siendo Y1; Y2 tirantes conjugados.
Los saltos sobre lecho horizontal son de varios tipos, han sido clasificados por los estudios del
Bureau of Reclamation de acuerdo al número de Froude del flujo en la forma siguiente:
Para valores de F1 Tipos de salto hidráulico
1.0 a 1.7 Ondular
1.7 a 2.5 Débil
2.5 a 4.5 Oscilante
4.5 a 9.0 Permanente
> 9.0 Fuerte
Algunas de las características hidráulicas importantes son la pérdida de energía que se disipa por la
presencia del salto y la longitud de éste:
− La pérdida de energía en el salto es igual a la diferencia de energías específicas antes y
después del salto, se puede demostrar experimentalmente que la pérdida es:
h = E1 - E2 =
Y - Y
Y Y
2 1
( )
( )
3
4 2 1
………………………… (2)
− La longitud del salto se define como la distancia desde la cara del frente del salto a un punto
aguas abajo de la perturbación macro turbulenta. Diferentes investigadores han propuesto
relaciones y gráficos para la estimación de la longitud del salto; a continuación se muestran
dos de las más aceptadas:

10
Relaciones Autor
L = 4.5 ( Y2 / Y1) Safranez
L = 5 ( Y2 - Y1 ) Miami Conservancy District
4.0 EQUIPO UTILIZADO
− Canal de pendiente variable
− Limnímetros
− Correntómetro
− Cronómetro
− Rotametro
5.0 PROCEDIMIENTO
− Establecer en el canal del laboratorio un flujo supercrítico y anote el ángulo que el fondo del
canal forma con la horizontal.
− Mediante la compuerta de salida debe procurarse establecer una obstrucción tal que ésta
remanse el flujo y provoque un salto hidráulico hacia aguas arriba.
− Una vez establecido el salto con el limnímetro mida las profundidades antes y después del
salto, es decir: Y1 e, Y2 .
− Con el rotámetro debe medirse el caudal del flujo.
− Si estuviera disponible el molinete de aforo, debe registrarse las velocidades V1 y V2 antes
y después del salto, en caso contrario, ésta se obtiene de la ecuación de continuidad y el
dato del rotámetro.
− Repetir el procedimiento con siete caudales diferentes.
Con los datos obtenidos en la práctica debe determinar el número de Froude F1 y F2 del flujo
de aguas arriba y aguas abajo del salto, con lo que se puede precisar las características del
salto en cada caso. Calcule las longitudes con las relaciones propuestas para la estimación de
la longitud del salto.
Prepare los gráficos siguientes:
− F1 vs L
−
L
Y2
vs F1 y superpóngalos al gráfico de la Fig. 15-4 del Ven Te Chow, Hidráulica de
los canales abiertos (pag.374 ó edición-1994 pag. 390)
Compare los datos de las longitudes obtenidas experimentales con los calculados mediante
las otras expresiones y gráficos propuestos en la literatura pertinente.

11
Nº 1.
Q(m3
/h) cte. =
Tabla N° 1
Registro de información del Laboratorio “Resalto hidráulico en canales abiertos”
Ensayo
N°
Q
(m3/h)
Y1
(cm.)
Y2
(cm.)
L
(cm)
1
2
3
4
5
6
7.0 CALCULOS Y PRESENTACION DE RESULTADOS
Tabla N° 2
Resultado de los cálculos del Laboratorio “Resalto hidráulico en canales abiertos”
Experimentales Teóricos
Ensayo
N°
Q
(lt/s)
Y1
(m.)
Y2
(m.)
L
(m.)
F1 F2 Y2
(m.)
L
(m.)
h
(m.)
Característica
del salto
1
2
3
4
5
6
8.0 CONCLUSIONES

12
TALLER N°4: FLUJO GRADUALMENTE VARIADO
1.0 INTRODUCCION
Se considera flujo gradualmente variado, al flujo permanente cuya profundidad varía suavemente en
todo un tramo dentro de la longitud de un canal, es decir, que en el tramo se cumplen dos cosas:
a) Que las condiciones hidráulicas del flujo permanecen constantes en el intervalo de tiempo
de interés y,
b) Las líneas de corriente son prácticamente paralelas.
De acuerdo a lo anterior se acepta como factible que las ecuaciones y teorías del flujo uniforme se
utilicen para evaluar la línea de energía, tomar las rugosidades como constantes, suponer que no
ocurre arrastre de aire, la sección de la conducción es prismática y constante y, que la pendiente del
canal es muy pequeña.
2.0 OBJETIVO
La práctica tiene como finalidad la observación experimental del movimiento gradualmente variado y
la toma de datos de las características del flujo mediante una tabulación de distancias vs.
profundidades para su comparación con métodos propuestos para el comportamiento del
movimiento gradualmente variado.
La altura de la línea de energía en la sección Aguas arriba con respecto a la línea de referencia de
un flujo gradualmente variado denotada por “H” que se observa en la figura Nº 1 puede referirse
como:
H = Z + Y cos + 
g
2
V
2
………………………….. (1)
donde :
H Altura respecto a un plano horizontal de referencia
Z Distancia vertical del plano de referencia al fondo del canal
Y Profundidad de la sección del flujo
 Angulo de la pendiente del fondo del canal
 Coeficiente de coriolis
V Velocidad media del flujo en la sección
H
z
dx
Línea Horizontal de Rreferencia

Y
Ycos
Fondo del Canal (So)
Superficie de Agua (Sw)
dH
Línea de Energía (SE)
V /2g
2
Línea Horizontal
Figura N° 1

13
Tomando como eje de coordenadas X el fondo del canal y diferenciando la ecuación anterior respecto
a éste y considerándolo positivo en la dirección del flujo se obtiene:
……………………….. (2)
Que es la ecuación diferencial general para el flujo gradualmente variado
La pendiente ha sido definida como el seno del ángulo de la pendiente y se asume positiva si
desciende en la dirección del flujo y negativa si asciende; destacándose que la pérdida de energía (H)
por fricción siempre es negativa, así tenemos:
X
H
S -
=
E


, es la pendiente de la línea de energía
X
Z
Sen
S -
=
=
o


 , es la pendiente del fondo del canal
X
Y
S =
w


; es la pendiente de la superficie del agua
Para  con pendiente pequeña la ecuación diferencial general se hace:



























Y
g
2
V
1
S
S
X
Y
+
-
=
2
E
o
La pendiente de energía SE cuando se utiliza la expresión de Manning es:
3
/
4
2
2
E
R
V
n
S =
y para canales rectangulares de gran ancho da lugar a la expresión:


































3
C
N
o
Y
Y
1
Y
Y
1
S
X
Y
-
-
=
3
10
Expresión útil para describir el perfil de la superficie de agua para el flujo gradualmente variado.
4.0 EQUIPO UTILIZADO
− Canal de pendiente variable
− Limnímetro
− Rotámetro
− Wincha
− Cronómetro




























Y
g
2
V
cos
S
S
X
Y
+
-
=
2
E
o

14
5.0 PROCEDIMIENTO
− Desarrollar en el canal del laboratorio un flujo subcritico
− Mediante la compuerta deslizante instalada dentro del canal se debe establecer una
obstrucción y un orificio de fondo tal que ésta remanse el flujo hacia aguas arriba y, con
el chorro proveniente del orificio y con la compuerta de salida del canal debe provocarse
un salto hidráulico hacia aguas abajo
− Una vez establecido el perfil del flujo en todo el canal, con el limnímetro mida las
profundidades antes y después de la compuerta deslizante, es decir, haga una
tabulación Yi vs. Xi. Los valores Xi serán indicado por el profesor de Laboratorio.
− Con el rotámetro debe medirse el caudal del flujo.
xi
xi
Aguas abajo de la compuerta
B)
Aguas arriba de la compuerta
xi a cada 50 cm. xi a cada 50 cm.
Y
YN
Yc
1
3 2
Y
xi
2
1 3
10
A)
YN
1 3
2
10
Figura N° 2
5.2 PROCEDIMIENTO EN GABINETE
Con los datos obtenidos en la práctica debe prepararse un esquema a escala para
representar el perfil del flujo, el fondo y la ubicación de las compuertas.
Mediante cualquier procedimiento determine los valores Yi y Xi , plotee sus cálculos sobre el
perfil experimental y compare los resultados.

15
Nº 1.
Xi a cada 50 cm.
Tabla N° 1
Registro de información del Laboratorio “Flujo Gradualmente Variado”
Sección 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Y (cm)
7.0 CALCULOS Y SU PRESENTACION DE RESULTADOS
Xi a cada 50 cm.
Tabla N° 2
Resultado de los cálculos del Laboratorio “Flujo Gradualmente Variado”
Sección 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Y (cm)
dX
dY
8.0 CONCLUSIONES.

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