flujo a superficie libre en canales

7/24/2019 Flujo a superficie libre en canales

1/31

Flujo a SuperficieLibre en Canales


2/31

DEFINICIN DE CANALES

Son canales en la cual el aguacircula debido a la accin desu propio peso sin estar

sometida a ms presin que laatmosfrica; es decir la

superficie libre del lquidoest en contacto con laatmsfera.


3/31

CLASIFICACIN

a) Canales naturales:Aquellos que no intervienen la mano del hombre talescomo los ros ! los arro!os que son cursos de aguaformado por el despla"amiento del agua hacia nivelesmenores.b) Canales Artificiales:

Aquellos donde interviene la mano del hombre ! tendruna seccin transversal que se les ha!a dado en tanto semantenga la estabilidad de las paredes catedrales ! elfondo.


4/31

ELEMENTOS DE N CANAL

#. $rea %idrulica &A'

(s el rea ocupada por el fluido en el canal ! esnormal al piso afondo del mismo.). *ermetro mo+ado &*'(s la suma de las longitudes del polgono de lasparedes que mo+a el fluido.

,. -adio %idrulico &-'

(s igual al rea hidrulica dividido entre el permetro mo+ado.

. /irante del flu+o &a' o &!'

(s la altura de la lmina del flu+o que discurre sobre el canal.


5/31

!" Anc#o superficial superior $%) o $t)(s el ancho superior que corresponde a la lmina del fluido que est en contactocon la atmsfera se le llama tambin espe+o de agua.

'" (eniente el canal $s)(s la pendiente de inclinacin que adopta un canal de acuerdo a al topografa delterreno; se define tambin como la pendiente de al rasante o piso del canal.*" Talu e canal $+)

(s la inclinacin de las paredes de un canal.

," Fono e canal $f)

(s el ancho del fondo de la seccin transversal

-" .ore libre $F)(s un elemento de seguridad del canal que evita que el agua se rebalse ! ocasione

da0os al terreno que soporta el propio canal.


6/31

(l n1mero de -e!nolds es un valor e2clusivo utili"ado para caracteri"ar el flu+o

que se genera en tuberas para poder aplicarlo a un flu+o en un canal abierto esnecesario reali"ar algunas adecuaciones. *ara ello es necesario considerar enlugar del dimetro de la tubera el radio hidrulico de la seccin en la cualflu!e el gasto:

3onde

(l radio hidrulico es la relacin que e2iste entre el rea hidrulica de la

seccin en estudio &A' ! el permetro mo+ado de la misma &*'.(n general cuando:

N/ME0O DE 0E1NOLDS


7/31

(l numero de -e!nolds ! los trminos laminar ! turbulentos no bastan paracaracteri"ar todas las clases de flu+o en los canales abiertos.

(l mecanismo principal que sostiene flu+o en un canal abierto es la fuer"ade gravitacin. *or e+emplo la diferencia de altura entre dos embalses harque el agua flu!a a travs de un canal que los conecta. (l parmetro que

representa este efecto gravitacional es el 41mero de 5roude puedee2presarse de forma adimensional. (ste es 1til en los clculos del resaltohidrulico en el dise0o de estructuras hidrulicas ! en el dise0o de barcos.

6 7 parmetro de longitud 8m9

v 7 parmetro de velocidad 8ms9

g 7 aceleracin de la gravedad 8ms9

NME0O DE F0ODE


8/31

(l flu+o se clasifica como:

5r# 5lu+o criticoes un estado terico en corrientes naturales !representa el punto de transicin entre los regmenes subcrtico !

supercrtico.

5r?# 5lu+o supercrtico o rpido tiene una velocidadrelativamente alta ! poca profundidad prevalece la energacintica. *ropios de cauces de gran pendiente o ros de monta0a.


9/31

DIST0I.CIN DE 2ELOCIDADESEN N CANAL


10/31

3ebido a la esencia de la superficie libere ! a la friccin a lo largo de lasparedes del canal las velocidades en un canal no estn del todo distribuidasen su seccin. 6a m2ima velocidad medida en canales normales a menudo

ocurre por deba+o de la superficie libre a una distancia de @.@ a @.) de laprofundidad; cuanto mas cercas estn las bancas mas profundo se encuentraeste m2imo.6a distribucin de secciones de un canal depende tambin de otros factorescomo una forma inusual de la seccin la rugosidad del canal ! la presencia decurcas en una corriente ancha rpida ! poco profunda o en un canal mu! lisola velocidad m2ima por lo general se encuentra en la superficie libre. 6arugosidad del canal causa un incremento en la curvatura de la curva dedistribucin vertical de velocidades. (n una curva la velocidad se incrementede manera sustancial en el lado conve2o debido a la accin centrifuga delflu+o. =ontrario a la creencia usual el viento en la superficie tiene mu! poco

efecto en la distribucin de velocidades.


11/31

CANALES A.IE0TOS ANC3OS"

Bbservaciones hechas en canales mu! anchos han mostrado que ladistribucin de velocidades en la distribucin central en esencial es lamisma que e2istira en un canal rectangular de ancho infinito.(n otras palabras ba+o esta condicin los lados del canal no tienenprcticamente ninguna influencia en la distribucin de velocidades en ladistribucin central ! por consiguiente el flu+o en esta regin central

puede considerarse como bidimensional en el anlisis hidrulico.LA MEDICION DE LA 2ELOCIDAD:

6a seccin transversal del canal se divide en fran+as verticales pormedio de un numero de verticales sucesivas ! las velocidades medias en

las verticales se determinan midiendo las velocidades a @.C de laprofundidad en cada vertical o tomando las verticales promedio a @.) !a @.D de la profundidad cuando se requieren resultados mas confiables.


12/31

ENE04IA ES(ECIFICA

6a energa especfica en una seccin de canal se define como la energa deagua en cualquier seccin de un canal medida con respecto al fondo de este.

B para un canal de pendiente peque0a ! ># la ecuacin se convierte en

6a cual indica que la energa especfica es igual a la suma de la profundidaddel agua ms la altura de velocidad. *ara propsitos de simplicidad elsiguiente anlisis se basar en un canal de pendiente peque0a. =omoE>FA puede escribirse como (>!GF))gA).


13/31

*uede verse que para una seccin de canal ! caudal F determinados laenerga especfica en una seccin de canal slo es funcin de laprofundidad de flu+o.

=uando la profundidad de flu+o se grfica contra la energa para unaseccin de canal ! un caudal determinados se obtiene una curva deenerga especfica como se muestra en la siguiente figura. (sta curva

tiene dos ram as A= ! H=. 6a rama A= se apro2ima asintticamente ale+e hori"ontal hacia la derecha. 6a rama H= se apro2ima a la lnea B3 amedida que se e2tiende hacia arriba ! hacia la derecha. 6a lnea B3 esuna lnea que pasa a travs del origen ! tiene un ngulo de inclinacin.*ara un canal de pendiente alta el ngulo de inclinacin de la lnea B3ser diferente de I. (n cualquier punto * de esta curva la ordenada

representa la profundidad ! la abscisa representa la energa especficaque es igual a la suma de la altura de presin J!J ! la altura de velocidadE))g. Een /e =hoK LL'.


14/31

Sea el fujo estacionario de un fuido incomprensible en un

canal abierto, como muestra la gura.

Cantia e Mo%i5iento

Aplicando la ecuacin de balance de cantidad demovimiento proyectada segn la direccin del fujo, seobtiene la siguiente ecuacin


15/31

Son las resultantes de las presiones en ambas secciones; W. sen es la componente en la direccin del fujo del peso encerrado en elvolumen de control; es la !uer"a total e#terna de !riccin $tensinde corte% actuando a lo largo de la supercie de contacto entre elagua y el canal


16/31

&s as' (ue se dene la )cantidad de movimiento espec'co),)momentum) o )!ue"a espec'ca) como*

+bserve (ue tiene dimensiones - o sea !uer"a porunidad de peso.&l valor de para canales rectangulares es y/0 en tanto(ue para canales trape"oidales

-a gura ane#a !acilita su c1lculo


17/31

(l estado crtico del flu+o travs de una seccin del canal se caracteri"apor varias condiciones importantes ellas son:#.7 6a energa especfica es un mnimo para una descarga dada.).7 6a descarga es un mnimo para una energa especfica dada.,.7 6a fuer"a especifica es un mnimo para una descarga dad..7 6a altura de velocidad es igual a la mitad de la profundidadhidrulica en un canal de pendiente peque0a..7 (l n1mero de 5roude es igual a la unidad.C.7 6a velocidad del flu+o en un canal de pendiente peque0a condistribucin uniforme de velocidad es igual a la celeridad de peque0asondas de gravedad en aguas ba+as ocasionada por disturbios locales.

ESTDIO DEL FL6O C07TICO


18/31

(n la figura la "ona superior de la curva de energa especifica correspondeal flu+o subcrtico &M)? Mc' ! la inferior al flu+o supercrtico &M#?Mc'.

(n flu+o subcrtico una perturbacin puede moverse hacia aguas arriba esto

significa en trminos prcticos que mecanismos o condiciones de controltales como una compuerta o una cada influ!en sobre las condiciones deflu+o aguas arriba del control; por ello se afirma que el flu+o subcrtico estcontrolado por las condiciones de aguas aba+o. *or otra parte en flu+osupercrtico una perturbacin solo puede via+ar hacia aguas aba+o;estableciendo los posibles controles 1nicamente del lado de aguas arriba.


19/31

a' *or medio de los tirantes: si !!c flu+o crtico.si !?!c flu+o subcrtico o lentob' *or medio de la pendiente de fondo &Sf': si SfSc flu+o crtico.si Sf?Sc flu+o subcrtico o lento

c' *or medio del n1mero de 5roude: si 5# flu+o crtico.si 5?# flu+o subcrtico o lento

d' *or medio de las velocidades medias: si EEc flu+o crtico.si E?Ec flu+o subcrtico o lento

Ecuacin del Rgimen

Critico:

(l estado crtico no solo

proporciona la energaespecfica mnima para uncaudal dado sino tambin elcaudal m2imo para unaenerga especifica dada.*ara este 1ltimo caso la

energa especifica mnima (es la mnima con la cualpuede pasar el caudalm2imo a travs de laseccin.

T

A

g

Q 32

=

2

D

g2

V2=


20/31

(l salto hidrulico es un fenmeno de la ciencia en el rea de la hidrulicaque es frecuentemente observado en canales abiertos como ros ! rpidos.=uando un fluido a altas velocidades descarga a "onas de menoresvelocidades se presenta una ascensin abrupta en la superficie del fluido.Nste fluido es frenado bruscamente e incrementa la altura de su nivelconvirtiendo parte de la energa cintica inicial del flu+o en energapotencial sufriendo una inevitable prdida de energa en forma de calor. (nun canal abierto este fenmeno se manifiesta como el fluido con altasvelocidades rpidamente frenando ! elevndose sobre l mismo de manerasimilar a cmo se forma una onda7choque

Clasificaci8n

0ESALTO 3ID09LICA

6os saltos hidrulicos se pueden clasificar de acuerdo con el O.S. Hureau of-eclamation de la siguiente forma en funcin del n1mero de 5roude delflu+o aguas arriba del salto &los lmites indicados no marcan cortes ntidossino que se sobrelapan en una cierta e2tensin dependiendo de lascondiciones locales':


21/31

*ara F; " ? B"!: se produce un salto oscilante. Se produce un chorrooscilante entrando al salto del fondo a la superficie una ! otra ve" sinperiodicidad. =ada oscilacin produce una gran onda de perodo irregular

la cual com1nmente puede via+ar por varios Pilmetros causando da0osaguas aba+o en bancos de tierra ! mrgenes. *ara F= B"! > ? -"


22/31

FL6O NIFO0ME EN CANALES

Supongamos que en un canal escurre libremente un canal F. (l movimiento espermanente ! uniforme. 6a profundidad del agua &tirante est determinada por

la pendiente la rugosidad a forma de la seca transversal ! por el caudal Fque seg1n hemos dicho antes se supone que es constante. (l tirante con el queescurre el agua &o cualquier otro fluido' en estas condiciones se llama tirantenormal. (l tirante normal es pues el que caracteri"a al movimientopermanente ! uniforme. Si el movimiento fuera por e+emplo gradualmentevariado habra para cada seccin un tirante diferente del normal &ma!or omenor seg1n el caso'.

E es la velocidad media = el coeficiente de =he"! - el radio hidrulico S lapendiente.

(sta ecuacin corresponde a una seccin determinada cu!a radio hidrulico -implica un tirante !T que es el tirante normal. (sta ecuacin llamada de=he"! fue establecida mediante consideraciones tericas basadas en lasecuaciones de Uarman V *randil esencial en esta ecuacin es que el coeficiente= =he"! tiene estructura que es funcin de las caractersticas del escurrimiento! la naturale"a de las paredes. 6a e2presin general del coeficiente es:

SRCV =


23/31

C = 18 log

R es el radio hidrulico, K la rugosidad absoluta, el espesor de subcapa laminar. Segn

, el contorno puede considerarse hidrulicamente lisolos alores relatios de ! " de

o hidrulicamente rugoso. # es la $orma presentada por %hi&sse. 'a ecuaci(n de Che)"

resulta ser entonces.

C = 18 log

7

6

2

6

+k

R

RSk

R

7

6

+


24/31

Formula de Chzy. &n 2345 el ingeniero !ranc6s Antoine 786"y

desarrollaba probablemente la primera ecuacin de fujouni!orme, la !amosa ecuacin de 786"y, (ue a menudo see#presa como*

9: 7onde 9 es la velocidad media en pies/s, < es el radio8idr1ulico en pies, S es la pendiente de la l'nea de energ'a y 7es un !actor de resistencia al fujo conocido como 7 de 786"yEcuacin de Bazin. &l ingeniero 8idr1ulico !ranc6s =. >a"inpropuso una ecuacin de acuerdo con la cual el 7 de 786"y seconsidera como una !uncin de < pero no de S, e#presada enunidades inglesas, esta ecuacin es*

7:

onde m es un coeciente de rugosidad.

ECACIONES DE MANNIN4 C3E+1 .A+IN

RS

Rm /1

6,157

+


25/31

-a ecuacin de anning. &n 2??5 el ingeniero irland6s


26/31

04OSIDAD EN CANALES

Al producirse el aumento en la rugosidad en un canal por efecto de

crecimiento de plantas o avenamiento ocasionar una prdida de sucapacidad de transporte. (+emplo.Se tiene que en canales libres de vegetacin se tiene un coeficiente deUutter n > @.@) el mismo canal por efecto de al vegetacin que cre"ca ensu causa adquirir un n> @.@@

6o que quieredecir que le canalen que ha crecidola vegetacin hareducido sucapacidad detransporte a soloun C).R de loque tenanormalmente.


27/31

2ALO0ES DE LA 04OSIDAD A.SOLTA /ubos mu! lisos sin costura &vidriocobre acera nuevo con super7

ficie pintada plstico etc'. #. 2 #@7Cm5ierro for+ado . 2 #@7

Acero rolado nuevo 2 #@7

Acero laminado nuevo 2 #@7#@7

5ierro fundido nuevo ). 2 #@7

5ierro fundido o2idado #@7,#. 2 #@7,

Acero remachado @.L 2 #@[email protected] 2 #@7,=emento enlucido 2 #@7

Asbesto cemento nuevo ). 2 #@7

=oncreto centrifugado nuevo #.C 2 #@7

=oncreto bien acabado usada ) 2 #@7, 2 #@7

=oncreto sin acabado especial #@7,, 2 #@7,

=oncreto rugoso #@7)

3uelas de madera #.D 2 #@7L 2 #@7

*iedra asentada ! bien lisa 2 #@7

-evestimiento de piedra ) 2 #@7,

Wrava #@7)


28/31

2ELOCIDADES (E0MISI.LES

A" 2elociaes a5isibles

6a velocidad del agua en los canales no debe de e2ceder de ciertosvalores encima de los cuales produ"can la erosin del fondo ! de lasparedes del canal o pongan en peligro las estructuras que se encuentra asu paso. 3el mismo modo la velocidad no debe ser tan reducida quepermita el crecimiento de plantas acuticas o facilite el depsito dearena en el curso del canal.

." 2ELOCIDADES ADMISI.LES M9IMAS 1 M7NIMAS

2elociaes 5Gi5as


29/31


30/31

2elociaes 5Hni5as

(vitan el depsito de arenas en el hecho de los canales ! elcrecimiento de plantas en el cause de los canales que dificultan lacirculacin del agua.(n general puede adoptarse una velocidad madia de Em > @.C ms [email protected]# ms cuando el porcenta+e e limos presente en el canal es

peque0o ! una velocidad media no inferior a Em > @.QC ms;prevendr el crecimiento de vegetacin seg1n &ven te choK'.6a velocidad m2ima nunca debe ser ma!or a .@ ms aconse+able de)7, ms en canales revestidos.


31/31

flujo a superficie libre en canales

Documents