FLUJO EN CANALES ABIERTOSALBERTO VILLALOBOS 25.189.616

El flujo de canales abiertos tiene lugar cuando los líquidos fluyen por la acción de la gravedad y solo están parcialmente envueltos por un contorno sólido. En el flujo de canales abiertos, el líquido que fluye tiene superficie libre y sobre él no actúa otra presión que la debida a su propio peso y a la presión atmosférica. El flujo en canales abiertos también tiene lugar en la naturaleza, como en ríos, arroyos, etc., si bien en general, consecuciones rectas del cauce irregulares. De forma artificial, creadas por el hombre, tiene lugar en 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.

ORIGEN. El conocimiento empírico del funcionamiento de los

canales se remonta a varios milenios. En la antigua Mesopotamia se usaban canales de riego en la Roma Imperials Se abastecían de agua a través de canales construidos sobre inmensos acueductos, y los habitantes del antiguo Perú construyeron en algunos lugares de los Andes canales que aún funcionan , Claro es el Ejemplo de los canales de Cumbe Mayo , el centro hidráulico más importante de los Andes El conocimiento y estudio sistemático de los canales se remonta al siglo XVIII, con Chézy, Bazin y otros.

CLASIFICACIÓN.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.

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

CANALES ABIERTOS Y SUS PROPIEDADES.

Clases de canales abiertos. Un canal abierto es un conducto en el cual el agua, fluye con una superficie libre. De acuerdo con su origen un canal puede ser natural o artificial.

Los canales NATURALES influyen todos los tipos de agua que existen de manera natural en la tierra, lo cuales varían en tamaño desde pequeños arroyuelos en zonas montañosas hasta quebradas, arroyos, ríos pequeños y grandes, y estuarios de mareas. Las corrientes subterráneas que transportan agua con una superficie libre también son consideradas como canales abiertos naturales.

Las propiedades hidráulicas de un canal natural por lo general son muy irregulares. En algunos casos pueden hacerse suposiciones empíricas razonablemente consistente en las observaciones y experiencias reales, de tal modo que las condiciones de flujo en estos canales se vuelvan manejables mediante tratamiento analítico de la hidráulica teórica.

Los canales artificiales son aquellos construidos o desarrollados mediante el esfuerzo humano: canales de navegación, canales de centrales hidroeléctricas, canales y canaletas de irrigación, cunetas de drenaje, vertederos, canales de desborde, canaletas de madera, cunetas a lo largo de carreteras etc..., así como canales de modelos de laboratorio con propósitos experimentales las propiedades hidráulicas de estos canales pueden ser controladas hasta un nivel deseado o diseñadas para cumplir unos requisitos determinados.

GEOMETRIA DEL CANAL.

Un canal con una sección transversal invariable y una pendiente de fondo constante se conoce como canal prismático. De otra manera, el canal es no prismático; un ejemplo es un vertedero de ancho variable y alineamiento curvo. Al menos que se indique específicamente los canales descritos son prismáticos.El trapecio es la forma mas común para canales con bancas en tierra sin recubrimiento, debido a que proveen las pendientes necesarias para la estabilidad.El rectángulo y el triangulo son casos especiales del trapecio. Debido a que el rectángulo tiene lados verticales, por lo general se utiliza para canales construidos para materiales estables, como mampostería, roca, metal o madera. La sección transversal solo se utiliza para pequeñas asqueas, cunetas o a lo largo de carreteras y trabajos de laboratorio. El círculo es la sección más común para alcantarillados y alcantarillas de tamaño pequeño y mediano.

CARACTERISTICAS. En un canal abierto del flujo en un ducto cerrado. En el canal existe

una superficie libre la cual se encuentra a una presión constante.

LA IMPLICANCIA FUNDAMENTAL DE ESTA CARACTERÍSTICA ES QUE EL MOVIMIENTO DEL FLUIDO SE ORIGINA EN EL PESO DEL FLUIDO (FUERZA GRAVITATORIA) Y NO LA EXISTENCIA O NO DE UNA DIFERENCIA DE PRESIONES, COMO ES EL CASO DE UN DUCTO CERRADO. La distribución de presiones en un canal abierto es por lo general hidroestática, es decir, depende solo de la profundidad del fluido. Las otras fuerzas de importancia en el estudio de canales abiertos, son la fuerza de inercia y la fuerza originada por la fricción.

FLUJO UNIFORME EN CANALES

Se dice que un flujo es uniforme cuando su velocidad del flujo en la profundidades constante. En el diseño de canales abiertos seria ideal que se tuvieran flujos uniformes por que se tendría un canal con una altura constante. Se le llama profundidad normal (Yn) a la profundidad del flujo en flujos uniformes y velocidad de flujo uniforme V a la velocidad promedio del flujo. Para que el flujo permanezca uniforme es necesario tener una pendiente, las sección transversal y su rugosidad en la superficie no presente ningún cambio y si la pendiente del fondo aumentase y a su vez aumentase la velocidad inmediatamente disminuirá su profundidad.

CANALES ABIERTOS ANCHOS Observaciones hechas en canales muy anchos han mostrado que la

distribución de velocidades en la distribución central en esencial es la misma que existiría en un canal rectangular de ancho infinito. En otras palabras bajo esta condición, los lados del canal no tienen prácticamente ninguna influencia en la distribución de velocidades en la distribución central y, por consiguiente el flujo en esta región central puede considerarse como bidimensional en el análisis hidráulico. LA MEDICION DE LA VELOCIDAD: la sección transversal del canal se divide en franjas verticales por medio de un numero de verticales sucesivas y las velocidades medias en las verticales se determinan midiendo las velocidades a 0.6 de la profundidad en cada vertical o tomando las verticales promedio a 0.2 y a 0.8 de la profundidad cuando se requieren resultados mas confiables.

FLUJOS LAMINARES Y TURBULENTOS

Un flujo laminar es el liquido que se desplaza con

una suave velocidad (orden).Un flujo turbulento

es cuando el comportamiento del flujo

es caótico y difícil de controlar, adicionalmente

causa daños en las tuberías (desorden).Un

flujo en transición seria un flujo que alterna entre

laminar y turbulento. Estos dependen del valor del número de Reynolds.

LA FÓRMULA DE CHEZY.

FÓRMULA DE MANNING. DETERMINACIÓN DE CAUDALES EN CANALES ABIERTOS.

De todas las fórmulas utilizadas para la determinación del coeficiente C, la que aparece marcada como fórmula de Manning es la que más se usa en la práctica, si sustituimos dicha expresión en la fórmula de Manning.

FORMULA DE BAZIN.

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 adimensional. Este es útil en los cálculos del resalto hidráulico, en el diseño de estructuras hidráulicas y en el diseño de barcos.

EFICIENCIA EN CANALES ABIERTOS

Se conoce que los sistemas de canales abiertos se diseñan con el fin de trasportar líquidos desde un lugar determinado hasta otro con una altura de cota menor a la inicial, manteniendo un caudal o una razón de flujo constante bajo la influencia de la gravedad al menor precio posible. Debido a que no es necesario la aplicación de energía al sistema el costo de construcción se traduce al valor inicial una vez comenzados los trabajos, traduciéndose en el tamaño físico de la obra, por tal razón para una longitud establecida el perímetro de la sección representara también el costo del sistema; por lo cual debe mantenerse al mínimo para no incrementar los costos y los tamaños de la sección. Debido a lo anteriormente mencionado, la eficiencia de un canal tiene relación con encontrar un área de paso (Ac) mínima para transportar un caudal (Q) dado, con una pendiente del canal (So) y coeficiente de Manning (n) dados.

ENERGIA EN LOS CANALES ABIERTOS.En hidráulica se sabe que la energía total d el agua en

metros-kilogramos por kilogramos de cualquier línea de corriente que pasa a través de una sección de canal puede expresarse como la altura total en pies de agua, que es igual a la suma de la elevación por encima del nivel de referencia, la altura de presión y la altura de velocidad.

Energía de un flujo gradualmente variado en canales abiertos.

RESALTO HIDRAULICO O SALTO HIDRAULICO

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 fenómeno presenta un estado de fuerzas en

equilibrio, en el que tiene lugar un cambio violento del régimen de flujo, de supercrítico a subcrítico.

Este involucra una pérdida de energía relativamente

grande mediante disipación en el cuerpo turbulento de agua dentro del resalto. En consecuencia, el contenido

de energía en el flujo después del resalto es

apreciablemente menor que el de antes del mismo.

PERFILES DE SUPERFICIE LIBRE.Los flujos con superficie libre

probablemente sea el fenómeno de flujo que con

mas frecuencia se produce en la superficie de la tierra. Las

olas de los océanos, las corrientes de los ríos y las

corrientes de agua de lluvia son ejemplos que suceden en la naturaleza. Las situaciones

inducidas por los humano incluyen flujos en canales y alcantarillas, escurrimientos

sobre materiales impermeables, tales como

techos, lotes de estancamiento y el

movimiento de las olas en los puertos.

En todas las situaciones el flujo se caracteriza por una

interfaz entre el aire y la capa superior del

agua, la cual se denomina superficie

Libre. En la superficie libre, la

presión es constante y en casi todas las

situaciones, ésta es la atmosférica.

Para diseñar y construir un sistema de canal hay que

basarse en la profundidad del flujo proyectada a lo largo del canal, para ello es necesario

tener en cuenta la profundidad del flujo y la geometría del

canal, así como también conocer las características generales de los perfiles de superficie para flujos de de

variación gradual que no solo dependen de la pendiente del fondo si no que también de la profundidad del flujo, por lo

tanto un canal abierto incluye secciones de distintas pendientes de fondo.

CALCULAR LA ENERGÍA ESPECIFICA.

CANTIDAD DE MOVIMIENTO QUE SE DA DENTRO DE UN CANAL.

ANEXOS