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flujos en orificios de tanques, Apuntes de Mecánica de Fluidos

apuntes de la unidad numero uno de fluidos del tema de orificios

Tipo: Apuntes

2019/2020

Subido el 04/12/2023

gustavo-miguel-tovar-lopez
gustavo-miguel-tovar-lopez 🇵🇪

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Orificios
Desde el punto de vista hidráulico, los orificios son perforaciones, generalmente de forma regular y perímetro
cerrado, colocados por debajo de la superficie libre del agua en depósitos o almacenamientos, tanques,
canales o tuberías.
Definición y uso
Considerar un recipiente lleno de un líquido, en cuya pared lateral se ha practicado un orificio de pequeñas
dimensiones (en comparación con su profundidad desde la superficie libre del fluido hasta el centro del
orificio) y cualquier forma.
La utilidad del orificio es descargar un caudal cuya magnitud se desea calcular, por lo cual se supone que el
nivel del fluido en el recipiente permanece constante por efecto de la entrada de un caudal idéntico al que
sale; o bien porque posea un volumen muy grande. Además, el único contacto entre el líquido y la pared debe
ser una arista biselada; esto es, el orificio de pared delgada.
1.2.2. Clasificación de orificios
La clasificación puede realizarse de acuerdo a las condiciones de trabajo, es decir, descargando libremente,
ahogados parcialmente o sumergidos o a presión en el interior de una tubería. De la misma manera la
clasificación puede realizarse de acuerdo con su forma, circular, cuadrada, rectangular, etcétera.
1.2.2.1. Orificios con descarga libre
Son aquellos en los que el nivel de líquido de la descarga se encuentra por debajo del orificio.
Orificios sumergidos o ahogados
Son aquellos en los que el nivel de líquido de la descarga se encuentra por encima y por debajo del orificio,
pueden ser de dimensiones fijas o ajustables.
Los orificios sumergidos con dimensiones fijas se usan cuando la carga de líquido disponible es insuficiente
para la operación adecuada de los vertederos, debido a que si la carga H es baja un vertedero no funciona.
Los orificios sumergidos ajustables son aquellos en los que el área de descarga puede modificarse a voluntad,
con el fin de acomodar el área a los distintos caudales probables y/o necesarios.
Orificios de pared delgada
En estos orificios el agua al salir tiene contacto con un solo punto y lo llena completamente. La vena líquida
sufre una contracción, que llega a ser extrema en la parte que se denomina vena o sección contractada o
contraída.
Orificios de pared gruesa
En estos orificios el agua al salir tiene contacto en más de un punto, se le puede dar forma abocinada para
que al salir el agua se forme un chorro igual al diámetro del orificio.
Orificio de tubo
La salida del orificio está conectada a un tubo corto, es decir, el líquido no sale a la superficie libre
inmediatamente, sino a un tubo de pequeña longitud aproximadamente 2 o 3 veces el diámetro del orificio.
El objetivo del presente informe es estudiar el comportamiento del flujo de agua a las salida de un orificio,
para tal efecto se acude a las ecuaciones cinemáticas e hidráulicas. En la práctica se toman presiones en
diferentes partes de la conducción del agua hasta el agujero variando el caudal real, igualmente se toma la
trayectoria del chorro con el fin de calcular el caudal ideal y la velocidad en función de las coordenadas
cartesianas, (con ayuda de la ecuaciones de cinemática), en este caso se calculan para 5 caudales distintos, lo
que permite tener una mejor apreciación de los cambios que ocurren en el chorro mediante el cálculo de
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Orificios Desde el punto de vista hidráulico, los orificios son perforaciones, generalmente de forma regular y perímetro cerrado, colocados por debajo de la superficie libre del agua en depósitos o almacenamientos, tanques, canales o tuberías. Definición y uso Considerar un recipiente lleno de un líquido, en cuya pared lateral se ha practicado un orificio de pequeñas dimensiones (en comparación con su profundidad desde la superficie libre del fluido hasta el centro del orificio) y cualquier forma. La utilidad del orificio es descargar un caudal cuya magnitud se desea calcular, por lo cual se supone que el nivel del fluido en el recipiente permanece constante por efecto de la entrada de un caudal idéntico al que sale; o bien porque posea un volumen muy grande. Además, el único contacto entre el líquido y la pared debe ser una arista biselada; esto es, el orificio de pared delgada. 1.2.2. Clasificación de orificios La clasificación puede realizarse de acuerdo a las condiciones de trabajo, es decir, descargando libremente, ahogados parcialmente o sumergidos o a presión en el interior de una tubería. De la misma manera la clasificación puede realizarse de acuerdo con su forma, circular, cuadrada, rectangular, etcétera.

1.2.2.1. Orificios con descarga libre

Son aquellos en los que el nivel de líquido de la descarga se encuentra por debajo del orificio.

Orificios sumergidos o ahogados Son aquellos en los que el nivel de líquido de la descarga se encuentra por encima y por debajo del orificio, pueden ser de dimensiones fijas o ajustables. Los orificios sumergidos con dimensiones fijas se usan cuando la carga de líquido disponible es insuficiente para la operación adecuada de los vertederos, debido a que si la carga H es baja un vertedero no funciona. Los orificios sumergidos ajustables son aquellos en los que el área de descarga puede modificarse a voluntad, con el fin de acomodar el área a los distintos caudales probables y/o necesarios. Orificios de pared delgada En estos orificios el agua al salir tiene contacto con un solo punto y lo llena completamente. La vena líquida sufre una contracción, que llega a ser extrema en la parte que se denomina vena o sección contractada o contraída. Orificios de pared gruesa En estos orificios el agua al salir tiene contacto en más de un punto, se le puede dar forma abocinada para que al salir el agua se forme un chorro igual al diámetro del orificio. Orificio de tubo La salida del orificio está conectada a un tubo corto, es decir, el líquido no sale a la superficie libre inmediatamente, sino a un tubo de pequeña longitud aproximadamente 2 o 3 veces el diámetro del orificio. El objetivo del presente informe es estudiar el comportamiento del flujo de agua a las salida de un orificio, para tal efecto se acude a las ecuaciones cinemáticas e hidráulicas. En la práctica se toman presiones en diferentes partes de la conducción del agua hasta el agujero variando el caudal real, igualmente se toma la trayectoria del chorro con el fin de calcular el caudal ideal y la velocidad en función de las coordenadas cartesianas, (con ayuda de la ecuaciones de cinemática), en este caso se calculan para 5 caudales distintos, lo que permite tener una mejor apreciación de los cambios que ocurren en el chorro mediante el cálculo de

factores que permiten cuantificar la magnitud de este, en función de la geometría, la velocidad y el caudal, tal como el coeficiente de contracción, de velocidad y de descarga respectivamente. Del cálculo de estos factores se espera concluir la variación de la velocidad media respecto a la velocidad teórica, que en muchos casos es inferior, las caídas de presión a lo largo del tubo, la importancia de las pérdidas de energía interpretadas a partir de coeficiente de descarga, y la relación lineal y constante de los coeficientes de velocidad y de contracción respectivamente a medida que se varia el caudal. INTRODUCCIÓN En las instalaciones hidráulicas es necesario establecer el comportamiento del flujo en todas las circunstancias que se puedan presentar en su trayectoria, en este caso un orificio por donde se libera el agua. Teniendo en cuenta características ideales del orificio que permiten modelar el comportamiento del este en función de sus propiedades hidráulicas, tomando como base el cálculo de caudales y velocidades controladas, y aspectos geométricos del elemento de la conducción. Por otra parte se establecen factores que son calculados a partir de las condiciones anteriores que permiten comparar los resultados de esta práctica con valores comunes para este tipo de aditamento. ORIFICIO El orificio se utiliza para medir el caudal que sale de un recipiente o pasa a través de una tubería. El orificio en el caso de un recipiente, puede hacerse en la pared o en el fondo. Es una abertura generalmente redonda, a través de la cual fluye líquido y puede ser de arista aguda o redondeada. El chorro del fluido se contrae a una distancia corta en orificios de arista aguda. Las boquillas están constituidas por piezas tubulares adaptadas a los orificios y se emplean para dirigir el chorro líquido. En las boquillas el espesor de la pared e debe estar entre 2 y 3 veces el diámetro d del orificio. COEFICIENTES DE FLUJO Coeficiente de descarga Cd: es la relación entre el caudal real que pasa a través del dispositivo y el caudal teórico. Este coeficiente Cd no es constante, varía según el dispositivo y el Número de Reynolds, haciéndose constante para flujo turbulento (Re>105) como se observa en la Variación de los coeficientes de descarga, velocidad y contracción, con el número de Reynolds en un orificio circular. También es función del coeficiente de velocidad Cv y el coeficiente de contracción Cc. Coeficiente de velocidad Cv: es la relación entre la velocidad media real en la sección recta de la corriente (chorro) y la velocidad media ideal que se tendría sin rozamiento. Coeficiente de contracción Cc: Relación entre el área de la sección recta contraída de una corriente (chorro) y el área del orificio a través del cual fluye. Para determinar el caudal real en un orificio se debe considerar la velocidad real y el área real, por tal razón se deben considerar los coeficientes de velocidad Cv y contracción Cc. DETERMINACION DEL COEFICIENTE DE VELOCIDAD (CV) Si se desprecia la resistencia del aire, se puede calcular la velocidad real del chorro en función de las coordenadas rectangulares de su trayectoria X, Y. Al despreciar la resistencia del aire, la velocidad horizontal del chorro en cualquier punto de su trayectoria permanece constante.