1 flujo en canales generalidades

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HIDRÁULICACarlos A. Herrán – Ing. Civil MSc.

cherran@uao.edu.co – Facultad de Ingeniería

Ext 11326 – 2° Piso Cubículo # 20

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HIDRAULICA

a) Generalidades del flujo en canales

b) Energía Específica y Flujo Crítico

c) Flujo Uniforme

d) El Resalto Hidráulico

e) Flujo Gradualmente Variado

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1- FLUJO EN CANALES

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HIDRAULICA

• ORIFICIOS• VERTEDEROS• COMPUERTAS• OTRAS ESTRUCTURAS

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2- PEQUEÑAS ESTRUCTURAS EN CANALES

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HIDRAULICA

4

3- BOMBAS Y ESTACIONES DE BOMBEO

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FLUJO EN CANALES ABIERTOSGENERALIDADES

¿a que denominamos CANAL?

A un conducto en el cual el agua circula debido a la acción de la gravedad y sin ninguna presión, pues la superficie libre del líquido está en contacto con la atmósfera; esto quiere decir que el agua fluye impulsada por la presión atmosférica y la fuerza de la gravedad (su propio peso).

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Figura 1- CANALES ABIERTOS Y CERRADOS

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TIPOS DE CANALES

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CANALES NATURALES

CANALES ARTIFICIALES

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FIGURA 2- SECCIONES TRANSVERSALES TIPICAS EN CANALES ARTIFICIALES

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Sección Rectangular Sección Trapezoidal

Sección ParabólicaSección Triangular

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CANAL TRAPEZOIDAL

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a. Elementos Geométricos b. Elementos Hidráulicosb: Base menor, solera y: TiranteB: Base mayor f: Borde libreH: Altura del talud T: Espejo de aguaz, m: Talud de la caja del canalC: Berma D: Berma

Figura 3- ELEMENTOS GEOMÉTRICOS MÁS IMPORTANTES

Tirante de agua o profundidad de flujo “y o d”: Es la distancia perpendicular a la plantilla, solera o fondo del canal, medida desde el punto más bajo de la sección hasta la superficie del agua. Es decir , normal a la coordenada X que se hace coincidir con el fondo del canal. El TIRANTE se mide a lo largo del plano que contiene la sección transversal y que es normal a la dirección del flujo.

Área Hidráulica A

Es el área mojada de la sección transversal normal a la dirección de flujo.

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• Ancho superficial o espejo de agua “T”: Es el ancho de la superficie libre del agua, en (m).

• Talud “z o m” en la mayor parte de la literatura: Es la relación de la proyección horizontal a la vertical de la pared lateral (se llama también talud de las paredes laterales del canal). Es decir “z” es el valor de la proyección horizontal cuando la vertical es 1, aplicando relaciones trigonométricas. Es la cotangente del ángulo de reposo del material (Ѳ )

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• Perímetro Mojado P Es la longitud de la línea producto de la intersección entre el

plano que constituye el área mojada y el contorno de las paredes del canal.

• Radio Hidráulico R Es la relación existente entre el área mojada (A) y el perímetro mojado (P) ( R = A/P )

• Profundidad Hidráulica D Relación entre el área mojada (A) y el ancho superior del

nivel del agua (T) ( D= A/T )

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DETERMINAR PARA UN CANAL DE SECCIÓN TRANSVERSAL TRAPEZOIDAL

EL ÁREA HIDRÁULICA EN TERMINOS DE z

EL PERÍMETRO MOJADO EN TERMINOS DE z

EL ESPEJO DE AGUA EN TERMINOS DE z

ELEMENTOS GEOMÉTRICOS TÍPICOS

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Figura 4- FLUJO A PRESIÓN VS FLUJO POR GRAVEDAD

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DISTRIBUCIÓN DE VELOCIDADES EN UN CANAL

La presencia de una superficie libre y la resistencia al flujo ofrecida por las paredes del canal, hacen que la distribución de velocidades a lo largo de una vertical no resulte ser uniforme.

La figura siguiente ilustra la situación.

222222

– Coeficiente Coriolis 1,03 < α < 1,36

α =1,03 para canales grandes y 1,36 para canales pequeños

.

Figura 5- DISTRIBUCIÓN DE VELOCIDADES

El coeficiente de Coriolis α aparece en la expresión de la energía cinética, representa la relación que existe, para una sección dada, entre la energía real y la que se obtendría considerando una distribución uniforme de velocidades. Su valor se calcula con la siguiente ecuación:

dAV

v

A3)(

1

DISTRIBUCIÓN DE VELOCIDADES

V max entre 5 al 25% de h La Velocidad media V se presenta alrededor del 60% de la profundidad

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Figura 6- DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES

CONSIDERACIONES GENERALES

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La presión en cualquier punto de la sección transversal del flujo en un canal con pendiente baja puede medirse por medio de la altura de la columna de agua en un tubo piezométrico instalado en el punto. Al no considerar las pequeñas perturbaciones debidas a la turbulencia, etc., es claro que el agua en esta columna debe subir desde el punto de medición hasta la línea de gradiente hidráulico o superficie de agua

Figura 6A- DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES EN CANALES CON PENDIENTE BAJA

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Figura 7- DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES EN CANALES A FLUJO CONVEXO

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Figura 8- DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES EN CANALES A FLUJO CONCAVO

CLASIFICACIÓN DEL FLUJO EN CANALES

3232

CLASIFICACIÓN DEL FLUJO EN CANALES

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Figura 9 – FLUJO UNIFORME PERMANENTE

La profundidad, el área hidráulica y la velocidad en cada sección transversal, no cambian durante el intervalo de tiempo considerado para el análisis. Es el flujo fundamental que se considera en la Hidráulica de canales abiertos.

FLUJO UNIFORME PERMANENTE

En situaciones reales el flujo uniforme es  prácticamente un flujo paralelo.

Por consiguiente, para propósitos prácticos, la ley hidrostática de distribución de presiones es aplicable al flujo uniforme.

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CLASIFICACIÓN DEL FLUJO EN CANALES

35Figura 10 – FLUJO RAPIDAMENTE VARIADO

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CLASIFICACIÓN DEL FLUJO EN CANALES

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Figura 11 – FLUJO UNIFORME NO PERMANENTE

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CLASIFICACIÓN DEL FLUJO EN CANALES

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Figura 12 – FLUJO GRADUALMENTE VARIADO

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El flujo gradualmente variado también puede considerarse como flujo paralelo, debido a que el cambio en la profundidad de flujo es tan suave que  las líneas de corriente no tienen curvaturas apreciables ni divergencia; es decir, la curvatura y la divergencia son tan pequeñas que el efecto de las componentes de aceleración en el plano de la sección transversal es insignificante.

Por consiguiente, para propósitos prácticos, la ley hidrostática de distribución de presiones es aplicable al flujo gradualmente variado

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CLASIFICACIÓN DEL FLUJO EN CANALES

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Figura 13 – FLUJO VARIADO

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CLASIFICACIÓN DEL FLUJO EN CANALES

Figura 14 - FLUJO GRADUALMENTE ACELERADO

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CLASIFICACIÓN DEL FLUJO EN CANALES

Figura 15 - FLUJO GRADUALMENTE RETARDADOCURVAS DE REMANSO

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EJERCICIO