Las variables a medir durante la experiencia de laboratorio son las siguientes:
Caudal de entrada al canal : El caudal de entrada se mide de manera directa a través del caudalímetro. El instrumento entrega el caudal en unidades de [L/min].
Altura de escurrimiento al inicio y al final del vertedero: Se miden de manera indirecta utilizando un pie de metro con el cual se toma la medida de profundidad que va desde la ubicación del pie de metro a la superficie de escurrimiento del flujo, como lo presenta la Figura 8.2. Luego la altura de escurrimiento se obtiene a partir
de la resta entre la altura total que va desde la ubicación del pie de metro hasta el fondo del canal y la profundidad medida. Para evitar errores de paralaje en las mediciones se debe procurar que el observador este a la altura del instrumento al realizar la medición. Con el fin de reducir el error aleatorio de las mediciones debido a las fluctuaciones de altura que existen en la superficie del escurrimiento, se recomienda repetir la medición de 3 a 5 veces y tomar el promedio de los resultados obtenidos como el resultado de la medición.
Figura 8.2. Esquema para medir alturas de escurrimiento en el vertedero.
Caudal de salida del canal : La medición del caudal de salida se realiza de manera indirecta por medio de un aforo volumétrico. El estanque ubicado al final del canal, tiene marcas que indican variaciones de volumen cada 10 [L] en el estanque. Utilizando un cronómetro, se toma el tiempo que demora el nivel de agua en aumentar un cierto volumen, luego el caudal será igual al cociente entre el cambio de volumen y el tiempo transcurrido. Para realizar la medición se recomienda considerar una variación de volumen mínima de 30 [L], ya que involucra un mayor tiempo de reacción lo que permite realizar la medición de manera eficaz. Se debe sacar todo el aire encerrado en la tubería antes de realizar las mediciones, llenando y vaciando una vez el estanque de manera de evitar errores al cronometrar el tiempo de llenado. Para evitar errores de paralaje se recomienda que el observador se ubique frente a la marca en la cual iniciara y terminara la medición del tiempo. Además para disminuir el error aleatorios producto del tiempo de reacción, se recomienda repetir la medición de 3 a 5 veces, considerando la misma variación de volumen en todas las repeticiones y tomando el tiempo promedio de las repeticiones como medida final del tiempo de llenado para calcular el caudal de salida.
Para la experiencia se deberán escoger 2 piezas diferentes de vertedero, a cada pieza se le realizaran mediciones para dos valores de pendiente de fondo del canal ubicados entre los valores de 0% a 1% de pendiente. Para cada pieza y valor de pendiente se realizaran 5 ensayos variando el caudal de entrada al canal, en cada ensayo se medirá el caudal de entrada 1 vez buscando un valor promedio aproximado mostrado por el caudalímetro, la altura de escurrimiento al inicio y al final del vertedero y el tiempo que tarda en llenarse 30 [L] el estanque al final del canal repitiendo la medición de cada variable de 3 a 5 veces, y tomando el promedio de estas mediciones como el valor final observado.
Para optimizar el tiempo en el laboratorio se recomienda preparar previamente una planilla de cálculo Excel como la que se presenta en la Figura 8.3 en donde uno de los integrantes del grupo pueda ir registrando de forma ordenada e inmediata las mediciones.
Figura 8.3. Planilla ejemplo para registro de datos durante el laboratorio.
En la Figura 8.3 se aprecian tres tablas con datos a modo de ejemplo que deben considerarse en la estructura de la planilla para un óptimo procedimiento. Se procede a explicar el contenido y estructura de manera individual. La Figura 8.4 presenta una tabla de datos generales para el laboratorio, p total 1 y p total 2 corresponden a la profundidad total que existe desde la ubicación del pie de metro hasta el fondo del canal al inicio y al final del vertedero, estos datos son necesarios para calcular las alturas de escurrimiento y1 e y2, estas profundidades se consideran constantes para todas las mediciones a realizar y se recomienda considerar un valor igual a 25 [cm] más la altura de la base donde se ubica el pie de metro, ΔV corresponde a la variación de volumen ocurrida en el estanque al final del canal, durante un cierto tiempo que será medido para obtener el caudal de salida del canal, este debiese ser constante para todas las mediciones y no inferior a 30 [L], b corresponde al ancho del canal principal en [m] el cual es constante, y g corresponde a la aceleración de gravedad en [m/s2].
Figura 8.4. Ejemplo de tabla de datos generales a considerar para el desarrollo del laboratorio.
La Figura 8.5 presenta una tabla en la cual se ordenan los datos a medir que son, el caudal de entrada Q1 en [L/min] obtenido del caudalímetro, 5 mediciones para la profundidad p1 y p2 en [cm] y 5 mediciones del tiempo transcurrido para una acumulación de volumen ΔV en el
estanque al final del canal en [seg], junto con los promedios de estas tres últimas variables, los cuales corresponden al dato final a considerar en la medición.
Figura 8.5. Ejemplo de tabla para la toma de datos durante la experiencia de laboratorio.
Finalmente la Figura 8.6 presenta una tabla resumen vinculada a la tabla anterior en donde se agregan los datos de la pendiente del canal i, la altura del vertedero w y el largo del vertedero L, las alturas de escurrimiento al inicio y al final del vertedero que corresponden a y = p totali - pi, el caudal de salida Q2, que corresponde a ΔV/t promedio en [m3/seg] y el caudal vertido Qv que corresponde a la resta entre Q1 y Q2. En esta última tabla se debe verificar que los datos estén todos en unidades del sistema internacional MKS para ser usados en las ecuaciones, por lo tanto, se debe hacer la transformación de unidades a cada una de las variables según corresponda. En total se deberán realizar 20 ensayos durante la experiencia de Laboratorio. A partir de los datos medidos en cada ensayo se puede calcular la energía específica antes del vertedero y después del vertedero mediante la ecuación de energía específica, el número de Froude al inicio del vertedero , y los adimensionales / , / , / y / necesarios para estimar el coeficiente de descarga.
Figura 8.6. Ejemplo de tabla para el orden y correcto manejo de datos obtenidos durante la experiencia de laboratorio.
Con el fin de estudiar la eficiencia de predicción de los modelos propuestos para estimar el coeficiente de descarga, se compara el valor observado del coeficiente de descarga con el valor estimado mediante el modelo. El valor observado es obtenido al despejar el coeficiente de descarga de la ecuación (8.1) de Domínguez y de la ecuación (8.3) de De Marchi, mientras que los valores estimados se obtienen de la ecuación (8.2) y (8.4) correspondiente a los modelos. Los resultados estimados deben ser comparados gráficamente con los resultados observados con el fin del mostrar visualmente la bondad de ajuste de los modelos. Para estudiar la dispersión de los resultados se debe calcular la raíz del error cuadrático medio, el error medio absoluto y el error porcentual medio del conjunto de datos estimados.
Usando la ecuación de Domínguez y la ecuación de De Marchi y el modelo para el coeficiente de descarga estimado correspondiente, se estima un caudal vertido, estos resultados estimados
deben ser comparados gráficamente con los resultados observados del caudal vertido correspondiente a la resta entre los caudales de entrada y de salida medidos, con el fin del mostrar visualmente la bondad de ajuste de los modelos con los resultados. Para estudiar la dispersión de los resultados se debe calcular la raíz del error cuadrático medio, el error medio absoluto y el error porcentual medio del conjunto de datos estimados.
Finalmente se deben comparar los resultados obtenidos por los modelos propuestos para estimar los coeficientes de descarga, con modelos propuestos por la literatura u otros estudios realizados para vertederos laterales rectangulares en régimen subcrítico. Para realizar las comparaciones se debe procurar que los modelos sean concordantes en la ecuación utilizada, es decir, si el modelo se obtuvo a partir de la ecuación de Domínguez o a partir de la ecuación de De Marchi. Una posibilidad sería comparar los resultados para la ecuación de Domínguez con las ecuaciones propuestas por Domínguez (1999) de tanto de Engels como de Balmaceda y Gonzalez y comparar los resultados obtenidos con la ecuación de De Marchi con los resultados obtenidos por Singh et al. (1994), Jalili et al. (1996) y Borghei et al. (1999). Es responsabilidad de los alumnos indagar en los diferentes estudios realizados para obtener buenos resultados en la comparación de estudios. Analice las similitudes o diferencias existentes entre los modelos comparados.
Recuerde que se debe realizar un análisis cuantitativo y cualitativo de los resultados obtenidos en la experiencia de laboratorio justificando los errores obtenidos e incluyendo el cálculo de las medidas de dispersión de los resultados.