flujo de fluidos en superficie libre
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Flujo de Fluidos en Superficies Libres. CANALES
FLUJO DE FLUIDOS EN SUPERFICIE LIBRE
Los líquidos son transportados de un lugar a otro usando estructuras de conducción
naturales o artificiales, distinguiéndose los conductos cerrados de los abiertos. El flujo en
un canal o un conducto cerrado, pero que tiene una superficie libre en contacto con el
aire, se denomina flujo a superficie libre y en ese sentido se distingue del flujo a presión
que ocurre usualmente en las tuberías.
En este sentido, los canales son superficies donde el agua circula debido a la acción de
su propio peso sin estar sometida a más presión que la atmosférica; es decir la superficie
libre del líquido está en contacto con la atmósfera.
Tipos de secciones de un canal
Un estudio hidráulico se orienta en forma principal a los canales superficiales, las
secciones transversales puede ser muy diversa pero por lo general se fija en aquellas que
presenta una mayor estabilidad que sea de fácil construcción y que su costo sea menor, la
forma más utilizada son los siguientes:
- Canal de forma Trapezoidal
Este tipo de canales son los más utilizados debido a la facilidad de su construcción, sea
en canales sin revestimiento donde es obligatorio como en los revestidos.
- Canal de forma rectangular
La sección rectangular se le puede considerar como una variante del canal de forma
trapezoidal.
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- Canal de forma circular
Este tipo de canal es una de las más usadas en redes de alcantarillado, conductos
subterráneos y túneles. En un canal circular el flujo se desplaza por efecto de una presión
y un canal circular por acción de la gravedad.
- Canal de forma semicircular
Este tipo de sección semicircular es la que posee mayor eficiencia hidráulica.
Caracterización del fluido en conducción de superficies libres
Las fuerzas determinantes de los estados de flujo de un canal son las fuerzas de
gravedad, los esfuerzos cortantes producidos por la viscosidad y por ultimo las fuerzas de
inercia. Estos son factores característicos del fluido en una conducción libre.
Entre ellos encontramos como es el comportamiento de los fluidos a través de dichas
características, como por ejemplo:
- Flujo Laminar y Flujo Turbulento en canales: Número de Reynols, que establece la
relación que existe entre las fuerzas de inercia a la fuerza de rozamiento producida
por la viscosidad, según esta relación el flujo será laminar y turbulento. Para el
caso de canales se tiene:
Donde:
V= Velocidad
L= Dimensión Lineal pero L= R radio hidráulico
∂= Viscosidad Cinética
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Curvas De Remanso
Se conoce como curvas de remanso o ejes hidráulicos, a los perfiles longitudinales que
adquieren la superficie libre del líquido en un canal cuando se efectúa un escurrimiento
bajo las condiciones del flujo gradualmente variado. La forma depende de las condiciones
de tirante y pendientes que se tenga en cada caso.
En las curvas de remanso actúan diferentes tipos de variantes, las cuales tenemos:
Tipos de Pendiente de Fondo (So)
- Pendiente suave: la pendiente del canal es suave cuando, para las
condiciones hidráulicas (Q) y características del canal (b, T, n, So) dadas se generan
un tirante normal (an) mayor que el crítico (ac) an > ac o So > Sc.
- Pendiente critica: es aquella pendiente de fondo en el que el tirante normal
es igual al tirante crítico, an = ac , So = Sc, Sc se calcula:
- Pendiente fuerte o Súper Crítico: es aquella en que se produce un tirante
normal menor que el crítico an < ac o So < Sc, se les conoce como curvas “S”. Las
corrientes naturales de pendiente fuerte, en las que existen resaltos y otras
irregularidades, son llamadas torrentes.
- Pendiente horizontal: El So = 0 y como consecuencia el tirante normal se
hace infinito, es decir por formula por Maning:
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- Pendiente Adversa: Es aquella en la cual el liquido trabaja en contra de la
gravedad, ya que el fondo del canal en comparación con un plano horizontal
aumenta en el sentido del flujo, es decir la pendiente es negativa. El tirante normal
an.