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Saltos hidráulicos

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Un salto hidráulico es un fenómeno que ocurre en flujos abiertos rápidos cuando el flujo se vuelve inestable. Cuando se produce un salto, la altura de la superficie del líquido aumenta abruptamente dando lugar a una mayor profundidad y la velocidad de disminución media del flujo aguas abajo. Un importante efecto secundario de este fenómeno es que gran parte de la energía cinética en el flujo aguas arriba es disipada como calor. Aunque saltos hidráulicos a menudo se presentan naturalmente, tales como ríos o el flujo en un hogar fregadero, también deliberadamente están diseñados en grandes obras hidráulicas para minimizar la erosión y aumentar la mezcla. Este video se ilustran los principios detrás de saltos hidráulicos en un canal recto y luego demostrar el fenómeno experimentalmente usando una facilidad de flujo de canal abierto en pequeña escala. Después de analizar los resultados, se discutirán algunas aplicaciones de saltos hidráulicos.

Considerar el flujo en una sección amplia, recta, de un canal abierto donde se produce un salto hidráulico y construir un volumen de control en una esclusa en el salto. Si la velocidad del flujo es uniforme en la entrada y salida, conservación de la masa produce a una simple relación entre profundidades de fluido ascendente y descendentes. Profundidad multiplicada por la velocidad es constante. Una segunda relación puede encontrarse considerando la conservación del ímpetu. Transportados a través de la entrada y salida de la masa lleva impulso con igual al correspondiente flujo de masa multiplicado por la velocidad de flujo. Fuerzas hidrostáticas en la superficie del volumen de control también contribuyen al balance de ímpetu y se debe incluidas. Estas fuerzas son iguales la presión media en la superficie multiplicada por el área. En este punto, es útil para introducir el número de Froude, una cantidad sin dimensiones, nombrada después del ingeniero inglés y hydrodynamicist, William Froude. El número de Froude caracteriza la fuerza relativa del fluido ímpetu a las fuerzas hidrostáticas. Ahora, si la relación de impulso se reescribe en términos del número de Froude, con la velocidad de salida eliminada por sustitución mediante la relación de masa, el resultado es una ecuación cúbica en términos de la relación de profundidad de aguas abajo y aguas arriba. Esta ecuación se puede simplificar Factorizando la solución trivial donde son iguales las profundidades aguas arriba y aguas abajo. Las dos soluciones restantes se encuentran fácilmente utilizando la ecuación cuadrática, pero se puede eliminar la solución negativa ya que es no físico. La solución restante corresponde a un aumento en profundidad, en un salto hidráulico o una disminución de la profundidad, una depresión hidráulica, basada en el valor del número de Froude aguas arriba. Si el número de Froude aguas arriba es mayor que uno, el flujo tiene una alta energía mecánica y es supercrítico o inestable. No puede formar una depresión hidráulica en este régimen porque aumentar la energía mecánica y violar la segunda ley de la termodinámica. Por otra parte, puede formar un salto hidráulico, ya sea espontáneamente o debido a algún disturbio en el flujo. Un número de Froude entrado de uno representa el umbral mínimo para el inicio de un salto hidráulico. Saltos hidráulicos disipan la energía mecánica en calor y reducen la energía cinética, aumentando ligeramente la energía potencial del flujo. El mayor número de Froude, también lo hace el cociente de la profundidad aguas abajo a aguas arriba y la cantidad de energía cinética disipada como calor. Ahora que entendemos los principios detrás de saltos hidráulicos, vamos a examinarlas experimentalmente.

Fabricar en primer lugar, la facilidad de flujo de canal abierto como se describe en el texto. La instalación cuenta con un embalse superior e inferior conectado por un canal abierto. Agua bombeada desde el depósito inferior se deposita en el depósito superior con la tasa de flujo controlado y medido por una válvula y un medidor de flujo en línea con la bomba. Lana de acero en el depósito superior ayuda a distribuir el agua a través de la anchura de la sección, y la compuerta ajustable controla la profundidad de líquido en el canal. Después de fluir a través del canal, se deposita el líquido en el depósito inferior. Cuando la facilidad de flujo está montada, configurado en un banco y retire cualquier dispositivos electrónicos cercanos. Enchufe la bomba a un tomacorriente GFCI para minimizar el riesgo de descarga eléctrica y luego llene el depósito inferior con agua. Ahora estás listo para realizar el experimento.

Ajustar la compuerta a aproximadamente cinco milímetros. Mida la altura final de la brecha por debajo de la compuerta con una regla y registre esta distancia como la profundidad de flujo aguas arriba, H1. Cuando haya terminado, encienda la bomba y utilizar la válvula para maximizar la velocidad de flujo sin exceder la escala en el medidor de flujo. Utilizar la regla de nuevo para medir la profundidad de líquido después del salto hidráulico. Registrar la velocidad de flujo, junto con esta segunda distancia, que es la profundidad de flujo aguas abajo, H2. Antes de continuar, observe la forma del salto hidráulico. Notará más grandes, más abruptas transiciones para tasas de flujo más altas y transiciones más pequeñas, más graduales de tasas de flujo. Ahora, repita sus mediciones y observaciones para sucesivamente las tasas de flujo. Trate de determinar el caudal de umbral mínimo para la formación de un salto hidráulico. Una vez haya encontrado el caudal de umbral, usted está listo para analizar los resultados.

Para cada tasa de flujo volumétrico, debe tener una medida de la profundidad de líquido aguas abajo. La profundidad aguas arriba es el mismo para todos los casos. Complete los siguientes cálculos para cada medición y propagación de incertidumbres en el camino. En primer lugar, determinar la velocidad de flujo de entrada. Dividir la tasa de flujo volumétrico por el ancho de canal y la profundidad aguas arriba. A continuación, evaluar el número de Froude aguas arriba utilizando la definición dada anteriormente y sustituyendo en la aceleración debido a gravedad, así como la altura aguas arriba y la velocidad. Ahora, utilice el número de Froude y la solución no trivial para la altura del salto para calcular la profundidad teórica de aguas abajo. Comparar la predicción teórica con la profundidad medida aguas abajo. A velocidades de flujo supercrítico, las predicciones coinciden con las profundidades medidas dentro de incertidumbre experimental. Mira los resultados de la tasa de flujo de umbral. Dentro de la incertidumbre experimental, el número de Froude es uno, como previmos desde el análisis teórico. También se puede calcular la tasa de pérdida de energía mecánica a través del salto hidráulico de estos datos. En primer lugar, calcular la energía mecánica del fluido que fluye en el salto, que es la suma de las tasas de flujo de la energía cinética y potencial en la entrada. Ahora, determinar la tasa de energía de salida de la misma manera, pero con valores en la salida. La tasa de disipación de energía mecánica en calor es la diferencia entre las tasas de entrada y salidas. En este experimento, la tasa de pérdida de energía puede alcanzar alrededor del 40% de la energía de entrada o superior. Estos resultados ponen de relieve la eficacia del análisis de impulso y escala los experimentos modelo para entender y predecir el comportamiento de los sistemas hidráulicos. Ahora echemos un vistazo a algunas otras maneras de saltos hidráulicos son utilizados.

Saltos hidráulicos son un fenómeno natural importante con muchas aplicaciones de ingeniería. Saltos hidráulicos son a menudo diseñadas en sistemas hidráulicos para disipar la energía mecánica del líquido en calor. Esto reduce el potencial para el daño por chorro líquido de alta velocidad de aliviaderos. A velocidades de flujo de canal alto, sedimento puede ser levantado de entre y fluidizado. Mediante la reducción de velocidades de flujo, saltos hidráulicos también reducen el potencial de erosión y para fregar alrededor de pilotes. En plantas de tratamiento de agua, saltos hidráulicos se utilizan a veces para inducir la mezclar y airear el flujo. El arrastre de rendimiento y gas mezcla de saltos hidráulicos se puede observar cualitativamente en este experimento.

Sólo ha visto introducción de Zeus a saltos hidráulicos. Ahora debería entender cómo utilizar un enfoque de volumen de control para predecir el comportamiento del flujo y cómo medir este comportamiento mediante una instalación de flujo de canal abierto. También has visto algunos usos prácticos para ingeniería hidráulicas saltos en aplicaciones reales. Gracias por ver.

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