FLUJO EN CANALES ABIERTOS

(Notas de clase)(Notas de clase)

Preparado por: Julio CanCurso Hidrulica de CanalesUniversidad de Antioquia

Medelln, Colombia 2011

MotivacinLos deslizamientos y las inundaciones del ltimo ao en Colombia reflejan la

importancia de manejar adecuadamente nuestros recursos hdricos y el

enorme reto ingenieril que enfrentaremos en los prximos aos para proveer

una infraestructura de calidad. Las incertidumbres hidrolgicas del cambio

climtico y la creciente presin antrpica sobre los recursos naturales son el

contexto dentro del cual se desarrolla la hidrulica en la actualidad.

Falla del canal del Dique. Fuente: Semana (2010)

Conceptos bsicos

Objeto de estudioEste curso se orienta al estudio de los fenmenos de flujo de agua a

superficie libre (principalmente en canales y ros) y de los principios de

diseo hidrulico de las estructuras que ayudan a controlar dichos flujos.

Flujo a superficie libre

El flujo de un fluido por gravedad

sobre un terreno friccionante, en

donde una de las superficies est

expuesta a la interaccin con otro

fluido de menor resistencia (en

nuestro caso aire), a presin

atmosfrica.

Cuestiones fundamentales

Este curso proveer las herramientas conceptuales para:

Entender los fenmenos de flujo a superficie libre (principios

fundamentales).

Dimensionar hidrulicamente las estructuras de control de flujo en

canales y ros.

Respondiendo a preguntas como:Respondiendo a preguntas como:

Cul es el caudal y rgimen de flujo esperado en un tramo de un

canal?

Cules son las dimensiones de las secciones ptimas de flujo?

Cul es la capacidad de los canales para diferentes condiciones

hidrolgicas?

Qu tipo de obras se requieren para controlar el flujo?

Cmo viajan los contaminantes y los sedimentos en una corriente?

Campos de aplicacin en ingenieraDiseo, construccin, mantenimiento y reparacin de:

canales y obras hidrulicas para control del flujo

distritos de riego

embalses y vertederosembalses y vertederos

acueductos y alcantarillados (rural y urbano)

proteccin de taludes

Puentes, pasos y obras sumergidas (socavacin)

obras de proteccin de costas

Programas de restauracin de cauces y control de inundaciones

Esquema general y terminologa bsica

VISTA TRANSVERSALAncho superior

(T)Radio HidrulicoR=A/P

Profundidad HidrulicaD=A/T

VISTA LATERAL

y=dcos

V2/2g

Factor de seccin:A(Dh)1/2

Factor de transporte: K = A Rh2/3

Q=Caudal

y=dcos

Permetro mojado(P)

= dAvQ ..

Clasificacin de los flujosSegn el rgimen (Reynolds):

Laminar (Re600)

Segn la velocidad de propagacin (Froude):

VD

=Re

hgDVFr =

Subcrtico (Fr1)

Con respecto a los cambios de propiedades en el tiempo (d/dt) :Estable - Inestable

Con respecto a los cambios de propiedades en el espacio (d/dx):Uniforme Gradualmente Variado Rpidamente variado

Un flujo puede entonces clasificarse por ejemplo como: turbulento, supercrtico, inestable, rpidamente variado.

hgD

Esquema tpico de flujo en canales

Compuerta

Dique

FC

FRV

FRVFRV

FRV FC FGVFU

RH

RH

Dique vertedero

Escaln vertedero

FRV=flujo rpidamente variadoFGV= flujo gradualmente variadoFU=flujo uniformeFC=flujo crticoRH = Resalto hidrulico

FRV RH

Capa lmite en canales

Capa lmite laminar Capa lmite turbulentaCapa lmite laminar Capa lmite turbulenta

Distribucin de velocidades en seccin transversal de canal

trapezoidal

Perfiles de velocidad

=

oyy

kuu ln1*umax

y Ecuacin del perfil de velocidad en canales:

Donde k es la constante de Von Karman(~0.4), y0 es la distancia hidrodinmicade contorno y u* la velocidad de corte

0* =u

ui

yi

u

+=

28.02.0 uuV

de contorno y u* la velocidad de cortedefinida como:

Siendo 0 el esfuerzo cortante en el fondodel canal. En la prctica se determina lavelocidad media en una seccin como:

Secciones transversales tpicas

Tomado de: http://www.monografias.com/trabajos19/canales/Image9182.gif

Distribuciones de presin

Coeficientes de velocidad y momentumComo las velocidades en la seccin de un canal no se distribuyenuniformemente, si se trabaja con la velocidad media entonces la cabeza develocidad y el momentum del fluido deben calcularse usando factores decorreccin, conocidos como coeficientes de velocidad () y momentum () :

( )( )( )3

23

3

3

=iii

Av

AAv

dAv

dAv Para corregir la cabeza

de velocidad V2/2g( ) ii AvdAv( )( )

( )22

2

2

=

ii

iii

Av

AAv

dAv

dAv Para corregir elmomentum V2A/g

Tareas

1) Programar en EXCEL las propiedades de las secciones tpicas paracalcularlas en funcin del tirante Y, incluyendo el factor de seccin Z yel factor de transporte K.

2) En Excel Dibujar la relacin de Y con respecto al radio hidrulico Rh yanalizar el comportamiento para secciones abiertas y cerradas (seccincircular)

3) Revisar la pgina del curso y los materiales que se suministran.3) Revisar la pgina del curso y los materiales que se suministran.4) Resolver los primeros ejercicios del taller.5) Definir los grupos de trabajo para los laboratorios y el trabajo final.