Influencia de la geometría de entrada en tomas sumergidas sobre la sumersión crítica para la formación de vórtices que arrastran aire

Figures & data

Figure 1. Esquema de sumersión y formación de vórtices con arrastre de aire hacia una toma sumergida.

Figure 2. Vista en planta de las naves del desarenador, la cámara de carga y el conducto de baja presión. Las medidas se expresan en metros [11].

Figure 3. Esquema del modelo experimental. a) Vista isométrica. b) Vista lateral. c) Vista en planta. Dimensiones en metros.

Figure 4. a) Dimensiones del conducto de salida del perfil de arista viva. b) Dimensiones del conducto de salida del perfil acampanado [17].

Table 1. Incertidumbre en medición de equipos e instrumentación.

Ítem	Equipo e Instrumentación	Incertidumbre en medición
1	Limnímetro de punta marca Neyrpic instalado en Vertedero triangular 53°08’ de pared delgada	± 0.05 mm
2	Limnímetro instalado en cámara de carga	± 0.05 mm
3	Termómetro digital marca Traceable	± 1.5% de lectura 2,0 °
4	Cronómetro digital kk-613D marca GN	± 0.05 s
5	Transductor de presiones Marca: YOKOGAMA, Modelo: EJA110E	± 0.055% de lectura

Table 2. Rango de variación de variables en los ensayos para determinar la Clasificación de los Vórtices.

Ítem	Variables	Rango de Variación
		Mínimo	Máximo
1	Caudales (l/s)	6.87	22.28
2	Diámetro de conductos (m)	0.155	0.16
3	Sumergencia (m)	0.051	0.422
4	Sumergencia Relativa (S/D)	0.33	2.64
5	Número de Froude	0.27	0.96

Table 3. Rango de variación de variables en los ensayos para determinar el coeficiente de pérdida de carga local

ítem	Variables	Rango de Variación
		Mínimo	Máximo
1	Caudales (l/s)	10.89	23.17
2	Diámetro de conductos	0.155	0.16
3	Sumergencia (m)	0.12	0.53
4	Sumergencia Relativa (S/D)	0.72	3.31
5	Número de Froude	0.43	0.92

Figure 5. Clasificación de vórtices tipo A, B y C. Extraído y Traducido de Sarkardeh et al. [19].

Figure 6. Tipos de Vórtices según sumergencia relativa y número de Froude. Los vórtices de la clase C, B y A se han encerrado en recuadros verdes, amarillos y rojos, respectivamente.

Table 4. Datos registrados durante los experimentos en los que se probó la entrada con perfil de arista viva (D = 0.16 m).

ID	Q (l/s)	V (m/s)	S (m)	S/D	Fr	Re	We	Ingresa Aire	Tipo de Vórtice
1	20.98	1.04	0.21	1.31	0.83	1.63E+05	2367	Sí	A
2	19.93	0.99	0.183	1.14	0.79	1.55E+05	2137	Sí	A
3	19.52	0.97	0.163	1.02	0.78	1.52E+05	2050	Sí	A
4	18.13	0.90	0.065	0.41	0.72	1.38E+05	1766	Sí	A
5	17.55	0.87	0.108	0.68	0.70	1.36E+05	1656	Sí	A
6	13.98	0.70	0.13	0.81	0.56	1.09E+05	1052	Sí	A
7	7.54	0.38	0.055	0.34	0.30	5.88E+04	306	Sí	A
8	20.98	1.04	0.292	1.83	0.83	1.64E+05	2368	Sí	B
9	20.98	1.04	0.253	1.58	0.83	1.63E+05	2368	Sí	B
10	19.94	0.99	0.326	2.04	0.79	1.56E+05	2139	Sí	B
11	19.94	0.99	0.196	1.23	0.79	1.55E+05	2139	Sí	B
12	19.93	0.99	0.283	1.77	0.79	1.55E+05	2137	Sí	B
13	18.72	0.93	0.213	1.33	0.74	1.45E+05	1885	Sí	B
14	18.13	0.90	0.236	1.48	0.72	1.37E+05	1764	Sí	B
15	16.99	0.85	0.219	1.37	0.67	1.33E+05	1554	Sí	B
16	16.99	0.85	0.294	1.84	0.67	1.33E+05	1553	Sí	B
17	15.18	0.76	0.189	1.18	0.60	1.19E+05	1240	Sí	B
18	15.18	0.76	0.318	1.99	0.60	1.19E+05	1240	Sí	B
19	11.77	0.59	0.173	1.08	0.47	9.21E+04	745	Sí	B
20	11.77	0.59	0.294	1.84	0.47	9.19E+04	745	Sí	B
21	10.75	0.54	0.136	0.85	0.43	8.41E+04	622	Sí	B
22	10.75	0.54	0.208	1.30	0.43	8.39E+04	622	Sí	B
23	10.46	0.52	0.173	1.08	0.42	8.16E+04	589	Sí	B
24	10.46	0.52	0.131	0.82	0.42	8.14E+04	589	Sí	B
25	10.75	0.54	0.321	2.01	0.43	8.44E+04	622	No	C
26	7.54	0.38	0.142	0.89	0.30	5.85E+04	306	No	C
27	10.46	0.52	0.29	1.81	0.42	8.14E+04	589	No	C
28	6.87	0.34	0.29	1.81	0.27	5.36E+04	254	No	C
29	6.87	0.34	0.212	1.33	0.27	5.39E+04	254	No	C
30	6.87	0.34	0.151	0.94	0.27	5.38E+04	254	No	C
31	22.28	1.11	0.403	2.52	0.88	1.74E+05	2671	No	-
32	20.98	1.04	0.422	2.64	0.83	1.63E+05	2368	No	-
33	18.13	0.90	0.382	2.39	0.72	1.38E+05	1765	No	-
34	16.99	0.85	0.419	2.62	0.67	1.33E+05	1554	No	-
35	15.18	0.76	0.384	2.40	0.60	1.18E+05	1240	No	-

Table 5. Datos registrados durante los experimentos en los que se probó la entrada con perfil acampanado (D = 0.155 m).

ID	Q (l/s)	V (m/s)	S (m)	S/D	Fr	Re	We	Ingresa Aire	Tipo de Vórtice
1	20.98	1.11	0.265	1.71	0.90	1.69E+05	2605	Sí	B
2	20.98	1.11	0.23	1.48	0.90	1.69E+05	2604	Sí	B
3	20.98	1.11	0.188	1.21	0.90	1.68E+05	2604	Sí	B
4	19.94	1.06	0.3	1.94	0.86	1.61E+05	2353	Sí	B
5	19.94	1.06	0.173	1.12	0.86	1.60E+05	2352	Sí	B
6	19.93	1.06	0.161	1.04	0.86	1.61E+05	2351	Sí	B
7	19.93	1.06	0.26	1.68	0.86	1.60E+05	2350	Sí	B
8	19.52	1.03	0.142	0.92	0.84	1.57E+05	2255	Sí	B
9	18.72	0.99	0.192	1.24	0.81	1.50E+05	2073	Sí	B
10	18.13	0.96	0.293	1.89	0.78	1.46E+05	1945	Sí	B
11	18.13	0.96	0.195	1.26	0.78	1.46E+05	1945	Sí	B
12	17.55	0.93	0.09	0.58	0.75	1.41E+05	1822	Sí	B
13	16.99	0.90	0.201	1.30	0.73	1.38E+05	1709	Sí	B
14	16.99	0.90	0.274	1.77	0.73	1.37E+05	1709	Sí	B
15	15.18	0.80	0.174	1.12	0.65	1.23E+05	1364	Sí	B
16	15.18	0.80	0.302	1.95	0.65	1.23E+05	1364	Sí	B
17	13.98	0.74	0.246	1.59	0.60	1.13E+05	1157	Sí	B
18	13.98	0.74	0.115	0.74	0.60	1.13E+05	1157	Sí	B
19	11.77	0.62	0.165	1.07	0.51	9.51E+04	820	Sí	B
20	10.75	0.57	0.128	0.83	0.46	8.68E+04	684	Sí	B
21	10.75	0.57	0.201	1.30	0.46	8.66E+04	684	Sí	B
22	10.46	0.55	0.169	1.09	0.45	8.43E+04	647	Sí	B
23	10.46	0.55	0.123	0.79	0.45	8.40E+04	647	Sí	B
24	11.77	0.62	0.285	1.84	0.51	9.48E+04	820	Sí	B
25	19.93	1.06	0.32	2.07	0.86	1.61E+05	2351	No	C
26	7.54	0.40	0.139	0.90	0.32	6.04E+04	336	No	C
27	7.54	0.40	0.051	0.33	0.32	6.04E+04	336	No	C
28	6.87	0.36	0.209	1.35	0.30	5.57E+04	279	No	C
29	6.87	0.36	0.149	0.96	0.30	5.57E+04	279	No	C
30	6.87	0.36	0.284	1.83	0.30	5.53E+04	279	No	C
31	22.28	1.18	0.37	2.39	0.96	1.79E+05	2937	No	-
32	20.98	1.11	0.393	2.54	0.90	1.69E+05	2604	No	-
33	19.93	1.06	0.352	2.27	0.86	1.60E+05	2350	No	-
34	16.99	0.90	0.402	2.59	0.73	1.38E+05	1709	No	-
35	15.18	0.80	0.369	2.38	0.65	1.22E+05	1364	No	-
36	10.75	0.57	0.315	2.03	0.46	8.71E+04	684	No	-

Figure 7. Evaluación del ingreso de aire para una condición de Fr = 0.674 y S/D = 1.369 (Perfil Arista Viva) [17].

Figure 8. Evaluación del ingreso de aire para una condición de Fr = 0.674 y S/D = 1.838 (Perfil Arista Viva) [17].

Figure 9. Evaluación del ingreso de aire para una condición de Fr = 0.833 y S/D = 1.825 (Perfil Arista Viva) [17].

Figure 10. Evaluación del ingreso de aire para una condición de Fr = 0.603 y S/D = 1.988 (Perfil Arista Viva) [17].

Table 6. Datos del porcentaje de ingreso de aire registrado durante 10 min. en los experimentos donde se probó la entrada con perfil de arista viva.

ID	D (m)	Q (l/s)	V (m/s)	S (m)	S/D	Fr	Re	We	% de tiempo con Ingreso de Aire	Tipo de Vórtice
1	0.16	20.98	1.04	0.292	1.83	0.83	1.64E+05	2368	40	B
2	0.16	20.98	1.04	0.253	1.58	0.83	1.63E+05	2368	81.7	B
3	0.16	19.94	0.99	0.196	1.23	0.79	1.55E+05	2139	67	B
4	0.16	16.99	0.85	0.219	1.37	0.67	1.33E+05	1554	64	B
5	0.16	16.99	0.85	0.294	1.84	0.67	1.33E+05	1553	52	B
6	0.16	15.18	0.76	0.189	1.18	0.60	1.19E+05	1240	83	B
7	0.16	15.18	0.76	0.318	1.99	0.60	1.19E+05	1240	9.3	B
8	0.16	11.77	0.59	0.173	1.08	0.47	9.21E+04	745	21	B
9	0.16	11.77	0.59	0.294	1.84	0.47	9.19E+04	745	8.4	B
10	0.16	10.75	0.54	0.136	0.85	0.43	8.41E+04	622	11.3	B
11	0.16	10.75	0.54	0.208	1.30	0.43	8.39E+04	622	12	B
12	0.16	10.46	0.52	0.173	1.08	0.42	8.16E+04	589	9.3	B

Table 7. Datos del porcentaje de ingreso de aire registrado durante 10 min. en los experimentos donde se probó la entrada con perfil acampanado.

ID	D (m)	Q (l/s)	V (m/s)	S (m)	S/D	Fr	Re	We	% de tiempo con Ingreso de Aire	Tipo de Vórtice
1	0.16	20.98	1.11	0.23	1.48	0.90	1.69E+05	2604	13.2	B
2	0.16	19.94	1.06	0.173	1.12	0.86	1.60E+05	2352	7	B
3	0.16	16.99	0.90	0.201	1.30	0.73	1.38E+05	1709	3.2	B
4	0.16	16.99	0.90	0.274	1.77	0.73	1.37E+05	1709	1.7	B
5	0.16	15.18	0.80	0.174	1.12	0.65	1.23E+05	1364	5.3	B
6	0.16	15.18	0.80	0.302	1.95	0.65	1.23E+05	1364	0.5	B
7	0.16	13.98	0.74	0.115	0.74	0.60	1.13E+05	1157	10	B
8	0.16	10.75	0.57	0.128	0.83	0.46	8.68E+04	684	2	B
9	0.16	10.75	0.57	0.201	1.30	0.46	8.66E+04	684	2.6	B
10	0.16	10.46	0.55	0.169	1.09	0.45	8.43E+04	647	4.2	B
11	0.16	11.77	0.62	0.285	1.84	0.51	9.48E+04	820	3	B

Table 8. Comparación de resultados con investigaciones pasadas.

D (m)	D (pies)	Q (l/s)	V (m/s)	V (pies/s)	S (m)	TIPO DE PERFIL	RINCÓN [17]		GORDON [2]		KNAUSS [10]
							S/D	Fr	S/D	Fr	S/D	Fr
0.16	0.52	6.87	0.34	1.12	0.32	Arista Viva	2.01	0.27	0.46	0.27	1.50	0.27
0.16	0.52	18.13	0.90	2.96	0.382	Arista Viva	2.39	0.72	1.22	0.72	1.94	0.72
0.16	0.52	15.18	0.75	2.48	0.384	Arista Viva	2.40	0.60	1.03	0.60	1.71	0.60
0.16	0.52	22.28	1.11	3.64	0.403	Arista Viva	2.52	0.88	1.51	0.88	2.27	0.88
0.155	0.51	22.28	1.18	3.87	0.37	Acampanado	2.39	0.96	1.63	0.96	2.42	0.96
0.155	0.51	19.93	1.06	3.47	0.352	Acampanado	2.27	0.86	1.46	0.86	2.21	0.86
0.155	0.51	10.75	0.57	1.87	0.315	Acampanado	2.03	0.46	0.79	0.46	1.50	0.46
0.155	0.51	15.18	0.80	2.64	0.369	Acampanado	2.38	0.65	1.11	0.65	1.80	0.65
0.155	0.51	6.87	0.364	1.19	0.315	Acampanado	2.03	0.30	0.50	0.30	1.50	0.30

Figure 11. Evaluación de vórtices tipo B durante 10 min [17].

Figure 12. Clasificación de Vórtices [17].

Figure 13. Comparativa entre ecuaciones empíricas.

Table 9. Coeficiente de pérdida de carga local para las tomas con perfil de arista viva y acampanado

Tipo de Geometría de la toma sumergida	Coeficiente de pérdida de carga local
Arista Viva	0.70
Acampanado	0.15

Figure 14. Esquema de la tubería sumergida con perfil de arista viva.

Figure 15. Caída de energía en la entrada de la toma sumergida experimental.

Table

$D$	Diámetro interior de la tubería sumergida (m)
f	Coeficiente de fricción de Darcy
$Fr$	Número de Froude en la toma
$g$	Aceleración de la gravedad (m/s^2)
hf	Pérdida de carga continua o pérdida de carga por fricción (m)
hL	Pérdida de carga local (m)
$k$	Coeficiente de pérdida de carga local
L	Longitud de la tubería (m)
Q	Caudal (l/s)
R	Radio de curvatura de la sección de entrada (m)
$Re$	Número de Reynolds en la toma
$S$	Sumersión (m)
$S_c$	Sumersión Crítica (m)
S/D	Sumersión Relativa
$V$	Velocidad media del flujo (m/s)
$We$	Número de Weber en la toma
Г	Circulación
$\mu$	Viscosidad dinámica (kg/m-s)
$\nu$	Viscosidad cinemática del agua (m^2/s)
$\rho$	Densidad del fluido (kg/m^3)
$\sigma$	Tensión superficial del fluido (N/m)

Zubiaur MAY, Kuroiwa JM Reducción De Ingreso De Vórtices De Aire En Tomas Sumergidas Mediante El Uso De Rejillas (in Spanish).XXV Hydraulics Latin American Congress. San Jose, Costa Rica.International Association of Hydraulic Research; 2012.

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