Canal Abierto

Es un conducto por el cual circula un flujo, que tiene una superficie libre expuesta

a la atmósfera. Esta superficie es esencialmente una interface entre dos

fluidos de diferente densidad. En el caso de la atmósfera, la densidad del aire

es mucho menor que la densidad del agua, en una construcción destinada

al transporte de fluidos generalmente utilizada para agua, a diferencia de

las tuberías, es abierta a la atmósfera. También se utilizan como vías artificiales

de navegación. La descripción del comportamiento hidráulico de los canales es

una parte fundamental de la hidráulica y su diseño pertenece al campo de

la ingeniería hidráulica, una de las especialidades de la ingeniería civil.

Flujo en Canales Abierto puede Clasificarse

Flujo Permanente y no permanente: tiempo como criterio. Se dice que el flujo en

un canal abierto es permanente si la profundidad del flujo no cambia o puede

suponerse constante durante el intervalo de tiempo en consideración.

EL FLUJO ES NO PERMANENTE si la profundidad no cambia con el tiempo. En

la mayor parte de canales abiertos es necesario estudiar el comportamiento del

flujo solo bajo condiciones permanentes. Sin embargo el cambio en la condición

del flujo con respecto al tiempo es importante, el flujo debe tratarse como no

permante, el nivel de flujo cambia de manera instantánea a medida que

las ondas pasan y el elemento tiempo se vuelve de vital importancia para

el diseño de estructuras de control. Para cualquier flujo, el caudal Q en una

sección del canal se expresa por Q=VA. Donde V es la velocidad media y A es el

área de la sección transversal de flujo perpendicular a la dirección de este, debido

a que la velocidad media esta definida como el caudal divido por el área de la

sección transversal.

Flujo uniforme y flujo Variado: espacio como criterio. Se dice que el flujo en

canales abiertos es uniforme si la profundidad del flujo es la misma en cada

sección del canal. Un flujo UNIFORME puede ser permanente o no permanente,

según cambie o no la profundidad con respecto al tiempo. El flujo uniforme

permanente es el tipo de flujo fundamental que se considera en la hidráulica de

canales abiertos. La profundidad del flujo no cambia durante el intervalo de tiempo

bajo consideración. El establecimiento de un flujo uniforme no permanente

requeriría que la superficie del agua fluctuara de un tiempo a otro pero

permaneciendo paralela al fondo del canal.

Flujo Variado si la profundidad de flujo cambia a lo largo del canal. El flujo variado

puede ser permanente o no permanente es poco frecuente, el termino "FLUJO NO

PERMANENTE" se utilizara de aquí en adelante para designar exclusivamente el

flujo variado no permanente.

El flujo variado puede clasificarse además como rápidamente varia o

gradualmente variado. El flujo es rápidamente variado si la profundidad del agua

cambia de manera abrupta en distancias cortas; de otro modo, es gradualmente

variado. Un flujo rápidamente variado también se conoce como fenómeno local;

algunos ejemplos son el resalto hidráulico y la caída hidráulica.

A.- flujo permanente

1) flujo uniforme

2) flujo variado

a) flujo gradualmente variado

b) flujo rápidamente variado

B.- flujo no permanente

1) flujo uniforme no permanente "raro"

2) flujo no permanente (es decir, flujo variado no permanente)

a) flujo gradualmente variado no permanente

b) flujo rápidamente variado no permanente

La Fórmula de Chézy,

Desarrollada por el ingeniero francés Antoine de Chézy, conocido

internacionalmente por su contribución a la hidráulica de los canales abiertos, es la

primera fórmula de fricción que se conoce. Fue presentada en 1769. La fórmula

permite obtener la velocidad media en la sección de un canal y establece que:

donde:

 = velocidad media del agua en m/s

 = radio hidráulico

 = la pendiente longitudinal de la solera o fondo del canal en m/m

 = coeficiente de Chézy. Una de las posibles formulaciones de este

coeficiente se debe a Bazin.

Coeficiente de Chézy 

al coeficiente   utilizado en la fórmula de Chézy  para el cálculo de

la velocidad delagua en canales abiertos:

donde:

 = velocidad media del agua en m/s, que es función del tirante

hidráulico h

 = radio hidráulico, en m, función de h

 = la pendiente de la línea de agua en m/m

 = coeficiente de Chézy.

Una de las posibles formulaciones de este coeficiente se debe a Henri Bazin:

donde:

 es un parámetro que depende de la rugosidad de la pared

Aplicando la formulación de Bazin para el coeficiente de Chézy, la

velocidad del agua en canales se calcula según la fórmula siguiente:

Existen otras expresiones para el coeficiente C, entre las que se pueden citar:

Fórmula de Kutter 

es una expresión del denominado coeficiente de Chézy   utilizado en la fórmula

de Chézy para el cálculo de la velocidad del agua en canales abiertos:

La expresión más común de la fórmula de Kutter es:

donde:

 = coeficiente de Chézy, que se aplica en la fórmula de

Chézy: 

 = radio hidráulico, en m, función del tirante hidráulico h

 es un parámetro que depende de la rugosidad de la pared

 = velocidad media del agua en m/s, que es función del tirante

hidráulico h

 = la pendiente de la línea de agua en m/m

Radio Hidráulico

Es un parámetro importante en el dimensionado de canales, tubos y otros

componentes de las obras hidráulicas, generalmente es representado por la

letra R, y expresado en m es la relación entre:

El área mojada (A, en m²).

El perímetro mojado (P, en m).

Es decir:

GEOMETRIAS DE LOS CANALES REGULARES

Canales de sección rectangular

Área mojada: 

Perímetro mojado: 

Donde:

L = ancho de la base del canal (en m).

h = altura del nivel del líquido dentro de la sección rectangular.

Canales de sección triangular

Área mojada: 

Perímetro mojado: 

Donde:   siendo:   el ángulo del talud con la horizontal.

Canales de sección trapezoidal

Área mojada: 

Perímetro mojado: 

Canales de sección circular

Área mojada:  ; o expresando el ángulo en

radianes :  ...

Perímetro mojado:  ; o igualmente 

Donde: r = radio de la sección circular (en m); la sección mojada limitada por la

cuerda c, que sostiene el ángulo al centroΦ medido en grados sexagesimales. [  

cuando se expresa en radianes

Consideraciones Sobre el Radio Hidráulico:

Efecto de viscosidad: Dependiendo del efecto de la viscosidad relativa a la inercia,

el flujo puede ser laminar, turbulento o de transición.

El flujo es laminar si las fuerzas viscosas son tan fuertes comparadas con las

fuerzas de inercia, que la viscosidad juega un papel importante para determinar el

comportamiento del flujo. En flujo laminar, las partículas del fluido parecen

moverse en recorridos calmados definidos, o líneas de corriente, y las capas

delgadas del fluido parecen deslizarse sobre las capas adyacentes.

El flujo es turbulento si las fuerzas viscosas son débiles comparadas con las

fuerzas de inercia. En el flujo turbulento, las partículas del fluido se mueven en

recorridos irregulares, los cuales no son ni calmados ni determinados pero en su

conjunto todavía representan el movimiento hacia adelante de la corriente total.

Entre los estados laminar y turbulento de la corriente, hay un estado mixto

o estado de transición.

El efecto de viscosidad relativo al de inercia puede representarse por el número de

Reynolds. En la mayor parte de los canales abiertos el flujo laminar ocurre muy

raramente. En efecto, el hecho de que la superficie de una corriente aparezca lisa

y tersa para un observador no es en ningún modo una indicación de que el flujo

sea laminar; más probablemente, ello indica que la velocidad de la superficie es

más baja que la requerid para que se formen ondas capilares. El flujo laminar en

canales abiertos existe, por ejemplo donde delgadas láminas de agua fluyes sobre

el suelo o en canales de laboratorio.

Efecto de la gravedad: El efecto de la gravedad sobre el estado del flujo se

representa por una relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas de gravedad.

Esta relación es conocida como el Número de Froude.

Si el Número de Froude es mayor a la unidad (F > 1), el flujo se

denomina supercrítico.

Si el Número de Froude es menor a la unidad (F < 1), el flujo se

denomina subcrítico.

Si el Número de Froude es igual a la unidad (F = 1), el flujo se denomina crítico.

Flujo laminar

: Se caracteriza porque el movimiento de las partículas del fluido se produce

siguiendo trayectorias bastante regulares, separadas y perfectamente definidas

dando la impresión de que se tratara de laminas o capas mas o menos paralelas

entre si, las cuales se deslizan suavemente unas sobre otras, sin que exista

mezcla macroscópica o intercambio transversal entre ellas.

La ley de Newton de la viscosidad es la que rige el flujo laminar:

Esta ley establece la relación existente entre el esfuerzo cortante y la rapidez de

deformación angular. La acción de la viscosidad puede amortiguar cualquier

tendencia turbulenta que pueda ocurrir en el flujo laminar.

En situaciones que involucren combinaciones de baja viscosidad, alta velocidad o

grandes caudales, el flujo laminar no es estable, lo que hace que se transforme en

flujo turbulento.

Flujo uniforme:

Este tipo de flujos son poco comunes y ocurren cuando el vector velocidad en

todos los puntos del escurrimiento es idéntico tanto en magnitud como en

dirección para un instante dado o expresado matemáticamente:

Donde el tiempo se mantiene constante y s es un desplazamiento en cualquier

dirección.

Flujo variado:

es un flujo permanente cuya profundidad varía de manera gradual a lo largo del

canal. Se tendrán en cuenta las siguientes hipótesis:

1. La pérdida de altura en una sección es igual que la de un flujo uniforme con

las mismas características de velocidad y radio hidráulico.

2. La pendiente del canal es pequeña (<10%). Esto quiere decir que la

profundidad del flujo puede medirse verticalmente o perpendicularmente al

fondo del canal y no se requiere hacer corrección por presión ni por arrastre

del aire.

3. El canal es prismático.

4. Los coeficientes de distribución de la velocidad y el de rugosidad son

constantes en el tramo considerado.

Energía Específica

 En la sección de un canal se define como la energía por peso de agua en

cualquier sección de un canal medida con respecto al fondo del mismo.1

La energía específica de una sección de un canal puede ser expresada como:

 2

donde:

 = profundidad a partir de la superficie libre de líquido o espejo (SSL)

hasta la plantilla o fondo del canal.

 = Ángulo medido a partir de la pendiente del canal respecto a la

horizontal.

La energía específica de una sección de un canal con pendiente pequeña

(θ≈0) puede ser expresada como:

 3

Por tanto, la energía total de una sección de un canal (con z≠0), puede

expresarse como:

donde:

 = Energía total por unidad de peso.

 = Energía específica del flujo, o energía medida con respecto al

fondo del canal.

 = velocidad del fluido en la sección considerada.

 = presión hidrostática en el fondo o la altura de la lámina de agua.

 = aceleración gravitatoria.

 = altura en la dirección de la gravedad desde una cota de

referencia.

 = coeficiente que compensa la diferencia de velocidad de cada

una de las líneas de flujo también conocido como el coeficiente de

Coriolis.

La línea que representa la elevación de la carga total del flujo se llama

"línea de energía" . La pendiente de esta línea se define como el

"gradiente de energía".

De acuerdo al principio de la conservación de la energía, la energía

total de una sección (A) deberá ser igual a la energía total en una

sección (B), aguas abajo, más las perdidas de energía entre las dos

secciones (hf), para canales con una pendiente pequeña.

Esta ecuación se llama "ecuación de energía"

Cuando :   y 

es la ecuación de la energía de Bernoulli.

Profundidad Crítica

Es la profundidad en la cual un determinado caudal transita por un canal con el

mínimo de energía específica. Evidentemente, dado un caudal, la profundidad

crítica, en el canal, tiene asociado en forma biunivoca una velocidad crítica, y

una pendiente crítica.1 El concepto de profundidad crítica, basado en la energía

mínima fue introducido por Böss.2

Cuando la profundidad del flujo es mayor que la profundidad crítica, la velocidad

será menor que la velocidad crítica, y el flujo se denomina subcrítico, o flujo lento.

En un canal con flujo subcrítico las condiciones del mismo son comandadas

desde aguas abajo.

Cuando la profundidad del flujo es menor que la profundidad crítica, la velocidad

será mayor que la velocidad crítica, y el flujo se denomina supercrítico, o

flujo rápido, o veloz. En un canal con flujo supercrítico las condiciones del mismo

son comandadas desde aguas arriba.

NUMERO DE FROUDE

El numero de Reynolds y los términos laminar y turbulentos no bastan para

caracterizar todas las clases de flujo en los canales abiertos.

El mecanismo principal que sostiene flujo en un canal abierto es la fuerza de

gravitación. Por ejemplo, la diferencia de altura entre dos embalses hará que el

agua fluya a través de un canal que los conecta. El parámetro que representa este

efecto gravitacional es el Número de Froude, puede expresarse de forma a

dimensional. Este es útil en los cálculos del resalto hidráulico, en el diseño de

estructuras hidráulicas y en el diseño de barcos.

L - parámetro de longitud [m]

v - parámetro de velocidad [m/s]

g - aceleración de la gravedad [m/s²]

El flujo se clasifica como:

Fr<1, Flujo subcrítico o tranquilo, tiene una velocidad relativa baja y la

profundidad es relativamente grande, prevalece la energía

potencial.Corresponde a un régimen de llanura.

Fr=1, Flujo critico, es un estado teórico en corrientes naturales y representa el

punto de transición entre los regímenes subcrítico y supercrítico.

Fr>1, Flujo supercrítico o rápido, tiene una velocidad relativamente alta y poca

profundidad prevalece la energía cinética. Propios de cauces de gran

pendiente o ríos de montaña.

Resalto hidráulico.

El resalto hidráulico es el ascenso brusco del nivel del agua que se presenta en un canal abierto a consecuencia del retardo que sufre una corriente de agua que fluye a elevada velocidad.

Este se produce cuando en un régimen rápidamente variado, la velocidad varía considerablemente en un intervalo espacial relativamente corto, que ocurre, por ejemplo cuando tenemos un dique de contención después del cual el agua cae a una velocidad mucho mayor que la que tenía en su caída libre por el canal. Un resalto hidráulico lleva asociado una pérdida de energía y se produce siempre que se pasa de un flujo de río a un flujo torrencial.

El resalto hidráulico es el cambio rápido de profundidad de flujo de un nivel bajo a uno alto como resultado una subida abrupta de la superficie del agua.

Las profundidades inicial y1 y y2 son las profundidades reales antes y después del resalto en el cual ocurre una pérdida de energía.

REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA DE LAS

FUERZAS ARMADAS

UNEFA NUCLEO YARACUY- EXTENSION BRUZUAL

INTEGRANTES

LEONARD TACOA CI: 24.002.266

ROSI GUIMENEZ CI: 24.166.674

SIMON MAYORA CI: 22.307.306

FRANCIS SANCHEZ CI: 23.574.134

DAMIAN OSUNA CI: 22.309.783

OCTUBRE 2015

Flujo en canales abiertos

Introducción

 El flujo de canales abiertos es cuando los líquidos fluyen por la acción de la gravedad y solo están parcialmente envueltos por un contorno sólido. El flujo en canales abiertos tiene lugar en la naturaleza, como en ríos, arroyos, etc., en general, con secciones rectas del cauce irregulares.

Puede ser de forma artificial, creadas por el hombre, como los canales, acequias, y canales de desagüe. En la mayoría de los casos. Los canales tienen secciones rectas regulares y suelen ser rectangulares, triangulares o trapezoidales.

También tienen lugar el flujo de canales abiertos en el caso de conductos cerrados, como tuberías de sección recta circular cuando el flujo no es a conducto lleno.

Conclusión

Un canal es una construcción que sirve para el transporte de fluidos, los cuales pueden ser rectangulares, triangulares, circulares y trapezoidal, dependiendo donde se encuentren alojados.

El número de Reynolds es un numero adimensional que nos permite saber si es laminar o no, si el número de Reynolds es menor de 2000 el flujo será laminar y si es mayor de 4000 el flujo será turbulento.