REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN.

I.U.P. SANTIAGO MARIÑOFluidos II

Flujo en canales abiertos

Realizado por: Andrés SulbaranC.I.: 22448982

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.

Flujo en canales abiertos

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 Imperial 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.

Heródoto cuenta que los cnidios pueblos de la Caria en Asia menor emprendieron cortar el istmo que une la isla de Cnido al continente: pero abandonaron este trabajo por mandato de un oráculo.

Origen

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.

Características

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.

Canales abiertos y sus propiedades

En hidráulica se sabe que la energía total del 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 en canales abiertos

La 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.

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

 Donde:• d= profundidad a partir de la superficie libre del

líquido o espejo (SSL) hasta la plantilla o fondo del canal.

• O= ángulo medido a partir de la pendiente del canal respecto a la horizontal.

Energía especifica

La energía específica de una sección de un canal con pendiente pequeña (θ≈0) puede ser expresada como:

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

donde:

H = Energía total por unidad de peso.E = Energía específica del flujo, o energía medida con respecto al fondo del canal.V = velocidad del fluido en la sección considerada.y = presión hidrostática en el fondo o la altura de la lámina de agua.g = aceleración gravitatoria.z = altura en la dirección de la gravedad desde una cota de referencia.\alpha = 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 la energía

Cuando: y

Es la ecuación de Bernoulli

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.

Geometría del canal

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

Flujo uniforme en canales abiertos

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.

Flujo en canales abiertos Anchos

Formula de CHEZY

Formula de BAZIN

Flujo uniforme. El flujo uniforme, es aquel que tomando como criterio el espacio, las características hidráulicas no cambian entre dos secciones separadas una distancia “X”, es decir: (dv/dx)=0

Flujo no uniforme. Es aquel en el cual las características hidráulicas cambian entre dos secciones, es decir:

(dv/dx) ≠ 0

Calificacion de flujo

Flujo permanente. Es aquel en el que tomando como criterio el tiempo, las características hidráulicas permanecen constantes, es decir: (dv/dt) =0

Flujo no permanente. Flujo en el cual las características hidráulicas cambian en el tiempo(figura 6), es decir:

(dv/dt) ≠ 0

Flujo rápidamente variado. Flujo en el cual las características hidráulicas cambian rápidamente, en un espacio relativamente corto

Flujo gradualmente variado. Flujo en el cual las características hidráulicas cambian de manera gradual con la longitud.