Determinação do Número de Froude, da Profundidade Crítica e da Energia Específica Crítica

UNIVERSIDADE PAULISTA

Determinação do Número de Froude, da Profundidade Crítica e da Energia Específica Crítica

SÃO JOSÉ DOS CAMPOS

2016

SUMÁRIO

INTRODUÇÃO        

OBJETIVO:        

FUNDAMENTOS TEÓRICOS        

PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL        

DESENVOLVIMENTO E PROCEDIMENTOS        

CONCLUSÃO        

INTRODUÇÃO

Um escoamento em canal aberto é caracterizado pela existência de uma superfície livre. Esta superfície é na realidade uma interface entre dois fluidos sendo que o fluido acima da superfície livre possui pressão praticamente constante e as forças de cisalhamento na interface são praticamente nulas. Em engenharia civil, as aplicações mais comuns estão relacionadas ao escoamento de água em contato com o ar atmosférico. Nas atividades em engenharia que envolve o uso de recursos hídricos, normalmente se encontram canais abertos de diferentes formas e tamanhos. Como exemplos de canais abertos podem ser citados os escoamentos em rios e riachos, em canais de irrigação, esgotos domésticos e industriais, canais de água pluviais, canais de navegação, etc. Fica claro que o tamanho, a forma e a rugosidade das superfícies variam muito, porém o escoamento em todos os canais abertos tem sua movimentação do fluido é causado pela ação da gravidade. O escoamento de água em canais é normalmente um escoamento turbulento e os efeitos de tensão superficial são desprezíveis.

OBJETIVO:

O objetivo principal deste experimento é determinar o número de Froude, a profundidade crítica e a energia específica do escoamento através da medição dos elementos característicos da seção transversal de um canal livre.

FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Energia especifica é a quantidade de energia por unidade de peso do liquido, medida a partir do canal. É representada por:

[pic 1]

O número de Froude (Fr) é muito importante no estudo de canais, pois permite definir regimes de escoamento dinamicamente semelhantes. O número de Froude é dado por:

[pic 2]

Profundidade Média (ym): corresponde à relação entre a área molhada e a largura superficial. É dada por:

[pic 3]

O escoamento crítico corresponde à energia específica mínima. Sendo assim, no escoamento crítico temos:

[pic 4]

No regime crítico o fator cinético e o número de Froude são iguais à unidade.

Se o canal for retangular B = b e considerando um caudal por unidade de largura:

[pic 5]

A profundidade crítica (yc) será obtida através da raiz cúbica do caudal por unidade de largura, elevado ao quadrado e dividido pela aceleração da gravidade, ou seja:

[pic 6]

Uma expressão aproximada para a profundidade crítica em canais retangulares é:

[pic 7]

 No escoamento crítico com Fr = 1, portanto, a Energia Específica Crítica será:

[pic 8]

PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

1) Verificar se a válvula de controle da vazão de entrada se encontra aberta;

2) Ligar a bomba e ajustar a válvula de vazão de entrada e o disco de controle de vazão de saída para se obter uma vazão com profundidade de escoamento dentro de uma boa margem de segurança contra o transbordamento e para se evitar que o tanque de saída sugue a bolinha usada no experimento;

3) Marcar com fita crepe os pontos 0,5 m e 2,5 m na escala localizada no fundo do canal. Sendo assim, fixou-se uma distância L = 2 m. Portanto, definiram-se os ponto “M” localizado na entrada do canal (montante) e o ponto “J” à saída do canal (jusante);

4) Soltar a bolinha no reservatório de entrada do canal, disparar o cronômetro quando a mesma passar pelo ponto 1 e travar o cronômetro quando da passagem pelo ponto 2. Retirar a bolinha do reservatório de saída do cal. Repetir esta operação cinco vezes, anotando-se os valores dos tempos obtidos na tabela específica abaixo;

5) Calcular a velocidade média do escoamento pelo método indireto;

6) Medir a profundidade do escoamento (y) nos pontos 0,5 m (ponto M), 1,0 m, 1,5 m, 2,0 m e 2,5 m (ponto J) fixando-se os resultados na tabela específica abaixo;

7) Medir a largura do canal (Sm);

8) Calcular a área molhada (Am) nos 5 pontos medidos;

9) Calcular a média aritmética das áreas molhadas dos 5 pontos;

10) Calcular a vazão média do escoamento pelo método indireto;

11) Com a vazão média do escoamento Qm e as áreas das seções transversais a montante e a jusante, calcular as velocidades a jusante e a montante;

12) Com a velocidade a jusante e a montante e sabendo-se a profundidade a jusante e a montante, calcular a energia específica do escoamento a jusante e a montante;

13) Sabendo-se a área molhada (Am) a jusante e a montante e conhecendo-se a Sm, calcular a profundidade média do escoamento (ym);

14) Calcular o número de Foude (Fr) a jusante e a montante;

15) Calcular o caudal por unidade de largura (q) para o canal retangular;

16) Calcular a profundidade crítica (yc) para canal retangular;

17) Calcular a energia crítica (Ec) do escoamento.