Flujo Gradualmente Variado

Mecánica de Fluidos II

• El Flujo Gradualmente Variado, denotado por F.G.V., es un flujo permanente cuya profundidad varía suave o gradualmente a lo largo de la longitud del canal, para un caudal dado.

• La variación de la profundidad, y, de un flujo gradualmente variado, en canales abiertos, respecto de un eje x coincidente con el fondo del canal, y para unas condiciones dadas de caudal, Q, tipo de sección transversal del canal, pendiente longitudinal, S0, y coeficiente de rugosidad, n, recibe el nombre de perfil hidráulico o perfil de flujo.

• M (mild): M1, M2, M3. Cuando la pendiente de fondo del canal resulta menor que la pendiente crítica (S0 < Sc).

• · S (steep): S1, S2, S3. Cuando la pendiente de fondo del canal resulta mayor que la pendiente crítica (S0 > Sc).

• · C (critical): C1, C3. Cuando la pendiente de fondo del canal resulta igual a la pendiente crítica (S0 = Sc).

• · H (horizontal): H2, H3. Cuando la pendiente de fondo valga cero (S0 = 0).

• · A (adverse): A2, A3. Cuando la pendiente de fondo sea negativa (S0 < 0).

Se llama vertedero a la estructura hidráulica sobre la cual se efectúa una descarga a superficie libre. El vertedero puede tener diversas formas según las finalidades a las que se destine. Si la descarga se efectúa sobre una placa con perfil de cualquier forma pero de arista aguda, el vertedero se llama de pared delgada; cuando la descarga se realiza sobre una superficie, el vertedero se denomina de pared gruesa. Ambos tipos pueden utilizarse como dispositivos de aforo en el laboratorio o en canales de pequeñas dimensiones. El vertedero de pared gruesa se emplea además como obra de control o de excedencias en una presa y como aforador en grandes canales.

Tiene varias finalidades entre las que se destaca: • Garantizar la seguridad de la

estructura hidráulica, al no permitir la elevación del nivel, aguas arriba, por encima del nivel máximo (NAME por su siglas Nivel de Aguas Máximas Extraordinarias)

• Garantizar un nivel con poca variación en un canal de riego, aguas arriba. Este tipo de vertedero se llama "pico de pato" por su forma

• Constituirse en una parte de una sección de aforo del ríoo arroyo.

• Disipar la energía para que la devolución al cauce natural no produzca daños. Esto se hace mediante saltos, trampolínes o cuencos.

• El agua es uno de los recursos naturales más preciados del planeta. Más de mil millones de personas no disponen de agua potable, lo que provoca que cada año mueran unos tres millones y medio de personas, en su mayor parte niños, a causa de enfermedades relacionadas con la falta o el mal estado del agua. Por ello, la distribución equitativa y la explotación sostenible de este recurso se presentan como uno de los principales retos del siglo XXI. En la consecución de esta meta, los acuíferos pueden jugar un papel de vital relevancia.

• La explotación racional de las aguas subterráneas constituye un elemento clave en el desarrollo económico de un país, área o región. En las regiones de clima semiárido o árido el agua subterránea tiene un interés estratégico. La explotación intensiva o incontrolada de las aguas subterráneas puede ocasionar, en determinados casos, ciertos problemas ambientales que favorezcan los procesos de desertización. En terrenos arenosos, el descenso del nivel freático puede favorecer la erosión eólica, la formación y el avance de las dunas. En regiones de gran aridez, el regadío con aguas de elevado contenido salino puede salinizar los suelos, obligando al abandono de tierras. Frecuentemente, la contribución de la explotación de las aguas subterráneas en los procesos de desertización queda enmascarada por la intervención de muchos otros factores.

• El agua subterránea es utilizada para el abastecimiento de agua potable, tanto en viviendas individuales, como en aglomeraciones urbanas, en proyectos agropecuarios para riego y para uso animal; igualmente, muchas industrias consumidoras de grandes cantidades de agua hacen uso de este recurso.

• Uno de los aspectos que hacen particularmente útil el agua subterránea para el consumo humano es la menor contaminación a la que está sometida y la capacidad de filtración del suelo que la hace generalmente más pura que las aguas superficiales. Además que este recurso es poco afectado por períodos prolongados de sequía. La utilización del agua subterránea se ha venido incrementando en el mundo desde tiempos atrás y cada día gana en importancia debido al agotamiento o no existencia de fuentes superficiales.

La Ley de Darcy describe, con base en experimentos de laboratorio, las características del movimiento del agua a través de un medio poroso.

La expresión matemática de la Ley de Darcy es la siguiente:

Dónde:

• Q = gasto, descarga o caudal en m3/s.

• L = longitud en metros de la muestra.

• k = una constante, actualmente conocida como el Coeficiente de permeabilidad de Darcy, variable en función del material de la muestra, en m/s.

• A = área de la sección transversal de la muestra, en m2.

• h3 = altura, sobre el plano de referencia que alcanza el agua en un tubo colocado a la entrada de la capa filtrante.

• h4 = altura, sobre el plano de referencia que alcanza el agua en un tubo colocado a la salida de la capa filtrante.

Relacionando con la expresión de Chezy , para flujo uniforme en conductos, se tiene que el valor del coeficiente de fricción C en el sistema métrico, toma el valor de Thysee, estableció que la diferencia de velocidad en un punto con respecto a la velocidad media referida a la velocidad de corte en un conducto liso o rugoso se cumple que: Donde • Vy= Velocidad del flujo a una • distancia y del contorno o fondo del canal • V = Velocidad media del flujo • V* = velocidad de corte • X = Coeficiente de proporcionalidad = 0.40 para agua limpia • RH = Radio hidráulico

• La ecuación de Jacob se puede usar para obtener el radio de influencia, cuando el abastecimiento es nulo. Entonces despejando el radio se obtiene:

El salto hidráulico es un fenómeno de la ciencia en el área de la hidráulica que es frecuentemente observado en canales abiertos como ríos y rápidos. Cuando un fluido a altas velocidades descarga a zonas de menores velocidades, se presenta una ascensión abrupta en la superficie del fluido. Éste fluido es frenado bruscamente e incrementa la altura de su nivel, convirtiendo parte de la energía cinética inicial del flujo en energía potencial, sufriendo una inevitable pérdida de energía en forma de calor. En un canal abierto, este fenómeno se manifiesta como el fluido con altas velocidades rápidamente frenando y elevándose sobre él mismo, de manera similar a cómo se forma una onda-choque

Las aplicaciones prácticas del salto hidráulico son muchas, entre las cuales se pueden mencionar: • Para la disipación de la energía del agua escurriendo por los

vertederos de las presas y otras obras hidráulicas, y evitar así la socavación aguas abajo de la obra;

• Para recuperar altura o levantar el nivel del agua sobre el lado aguas abajo de un canal de medida y así mantener alto el nivel del agua en un canal para riego u otros propósitos de distribución de agua;

• Para incrementar peso en la cuenca de disipación y contrarrestar así el empuje hacia arriba sobre la estructura;

• Para incrementar la descarga de una esclusa manteniendo atrás el nivel aguas abajo, ya que la altura será reducida si se permite que el nivel aguas abajo ahogue el salto.

• Para mezclas químicas usadas para purificar el agua; • Para aerear el agua para abastecimiento de agua a las ciudades.