1.- Introducción al flujo en Canales

TEMA 1. Introducción al flujo en canales

OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

• Caracterizar el flujo a superficie libre y saber explicar su importancia.

• Conocer los elementos geométricos de las obras de conducción de flujos a superficie libre.

• Conocer y aplicar las ecuaciones de conservación para flujos a superficie libre.

Contenido:

• Definición de flujo a superficie libre y de canal.

• Elementos geométricos e hidráulicos de un canal.

• Tipos de canales (naturales, artificiales revestidos y no revestidos, cerrados, especiales).

• Aplicaciones de los canales.

• Clasificación desde el punto de vista analítico (prismáticos y no prismáticos, con flujo

permanente y no permanente, con gasto constante y variable, de pequeña pendiente y

gran pendiente, con flujo uniforme y variado, con régimen laminar y turbulento).

• Secciones transversales.

• Distribución de velocidades y presiones en una sección de canal.

• Gasto y velocidad media.

QUE ES UN CANAL???

1.1. Definición de Canal Un canal abierto es una conducción abierta a la atmósfera en el que el líquido fluye sometido a la presión atmosférica y movido por la pendiente del propio canal. Los canales son conductos en los que el agua circula debido a la acción de la gravedad y sin ninguna presión, pues la superficie del líquido está en contacto con la atmósfera.

QUE DIFERENCIA HAY ENTRE UN CANAL Y UNA TUBERIA????

QUE DIFERENCIA HAY ENTRE UN CANAL Y UNA TUBERIA????

FINALMENTE PODEMOS CONCLUIR LAS SIGUIENTE GENERALIDADES:

Los canales. son obras de conducción hidráulicas hechas por el

hombre.

fines de riego, drenaje, navegación, generación de energía e

incluyen estructuras como tuberías, túneles y alcantarillas cuando

fluyen parcialmente llenos

El escurrimiento a superficie libre se caracteriza por la presencia

de una superficie líquida en contacto con la atmósfera.

La fuerza dominante en el movimiento es, en general, debida a la

gravedad

1.2. Clasificación de canales

• Los canales pueden ser naturales (ríos, arroyos) ó artificiales (construidos por el hombre). Dentro de éstos se incluyen conductos cerrados que trabajan parcialmente llenos (alcantarillas, tuberías)

Canales naturales

Se consideran canales naturales a todos los cursos de agua que existen en la tierra de forma natural.

Variación de tamaños

•Pequeños arroyuelos en montañas, •Arroyos, •Ríos pequeños y grandes, •Estuarios de mareas

Estos canales presentan propiedades geométricas irregulares

Para el entendimiento de canales naturales se necesita otros campos de conocimiento como la hidrología, transporte de sedimentos etc. Esto constituye un tema de estudio llamado hidráulica de ríos

Canales artificiales Los canales artificiales son aquellos construidos por el hombre:

•Canales de navegación,

VENTAJAS: CONTROL SOBRE LAS PROPIEDADES HIDRÁULICAS HASTA UN NIVEL DESEADO O DISEÑADOS PARA CUMPLIR REQUISITOS DETERMINADOS

•Canales de centrales hidroeléctricas,

Centrales Termoeléctricas

Sistema de canales de la obra de toma marítima de la Central Termoeléctrica de Punta Prieta, B. C. S. (Foto del Ing. Luis E. Salinas Quinard).

•Canales y canaletas de irrigación,

Canal de riego (zona de riego del rio Tula, foto Ing. Bonilla)

Canal que protege escurrimientos pluviales, Zihuatanejo Gro. (foto Ing. Bonilla)

•Cunetas de drenaje,

•Vertederos,

Vertedor de la Presa “La Villita”, Mich (foto. Ing. Bonilla)

Vertedor de la Presa “La Villita”, Mich. (Ing. Bonilla)

1.3. Elementos geométricos de los canales

Los elementos geométricos son propiedades de una sección de canal que pueden ser definidos por completo por la geometría de la sección y la profundidad del flujo. La importancia de estos elementos son la cantidad de flujo a transportar

Elementos geométricos de un canal

Donde: y = Tirante de agua, es la profundidad máxima del agua en el canal b= ancho de plantilla, ancho de solera, es el ancho de la base de un canal, T = ancho de la superficie libre de agua, C = ancho de corona, H = profundidad total del canal, H-y = borde libre = ángulo de inclinación de las paredes laterales con la horizontal, Z = talud, es la relación de la proyección horizontal a la vertical de la pared lateral (se llama también talud de las paredes laterales del canal). Es decir Z es el valor de la proyección horizontal cuando la vertical es 1

1.4. Secciones transversales de un canal

Los canales artificiales presentan formas geométricas regulares siendo las más comunes las siguientes: SECCIONES ABIERTAS: Trapezoidal: utilizado siempre en canales de tierra y revestidos Sección rectangular: se emplea para acueductos de madera, para canales excavados en rocas, y para canales revestidos. Sección triangular: se usa para cunetas revestidas en la carretera, en canales de tierra pequeños por ejemplo surcos. Sección parabólica: se emplea a veces para canales revestidos y es la forma que toman aproximadamente muchos canales naturales y canales viejos de tierra.

SECCIONES CERRADAS: Sección circular: se usan usualmente para alcantarillas y estructuras hidráulicas importantes

CANAL DE PANAMÁ

Elementos de la sección transversal de un canal Se considera la sección transversal de un canal a la sección perpendicular a la dirección del flujo. Donde: A =Área hidráulica (transversal) que es la superficie ocupada por el líquido en una sección normal cualquiera sin incluir a la superficie libre Ph = Perímetro mojado, parte del contorno del conducto que está en contacto con el líquido

Rh = Radio Hidráulico, es la relación entre el área hidráulica (A) y el perímetro mojado (Ph).

Rh = A/Ph Profundidad media o tirante hidráulico: es la relación entre el área hidráulica y la superficie libre del agua

y = A/T

Perímetro mojado

Sección transversal

Pendiente S, es la inclinación e la plantilla del canal por unidad de longitud en dirección del flujo

1.5 Geometría típica de los canales

Formas más

comunes de

canales

Circulares,

Rectangulares

Triangulares

Trapeciales

Muy eficiente debido a que proporciona un área de flujo grande en relación al perímetro mojado, La pendiente de los lados son los adecuados para los canales fabricados de tierra

Geometría típica de los canales (conclusion)

1.6 Características hidrodinámicas del flujo en los canales abiertos

Isotacas.

Los canales abiertos presentan perdidas por fricción, generadas por

el roce entre el flujo y las paredes del conducto

Las velocidades máximas se encuentran en las zonas mas alejadas de

las paredes que es la Superficie libre de agua (SLA). Pero esta zona

presenta fricción debido a que es la zona de interfaz entre la

superficie de agua y la atmósfera generando fricción.

Vmax se presenta a cierta distancia por debajo del SLA

Isotacas son las curvas de igual velocidad

1.7. TIPOS DE CANALES

Según material:

Natural sin revestir, Hormigón en masa, hormigón prefabricado, Materiales asfálticos, etc Otros

Según la sección: Rectangulares, Trapezoidales, Circulares, Tolva, otros

CANALES PRISMATICOS Son canales artificiales que presentan Sección transversal = cte, Pendiente de plantilla = cte

Canales según el material

DIFERENTES METODOS PARA ESTIMAR CAUDALES EN LOS CANALES

Este método consiste en medir la velocidad en varios puntos de

la sección transversal y después calcular el gasto por medio de

la ecuación de continuidad.

MÉTODO SECCIÓN-VELOCIDAD

RELACIÓN SECCIÓN VELOCIDAD

DISTRIBUCIÓN DE LAS VELOCIDADES EN LAS

DIFERENTES SECCIONES

QUÉ AFECTA LA VELOCIDAD? La superficie libre, La forma de la sección, Los cambios en la sección, La rugosidad de las paredes, El gasto, La acción de corrientes secundarias en tramos curvos

La velocidad mínima se presenta en la proximidad de la pared

Punto de velocidad máxima por debajo de la superficie libre. La zona donde ocurre se localiza sobre la vertical de mayor profundidad

DISTRIBUCIÓN DE LA VELOCIDAD EN UNA SECCIÓN TRANSVERSAL

Velocidad Máxima

Se divide la sección total en varios secciones, en donde el gasto por cada sección es: q1 = a1 Vmi

Donde: ai = área de cada sección Vmi = velocidad media en cada sección

Vmi = 0.2 y1 y 0.8 y1

Por lo que Vmi = V20 + V80 /2

Finalmente

Q = Σ qi

Forma de distribución de velocidades sobre una vertical. La velocidad media se localiza a 0.6 de tirante (y), La velocidad máxima se localiza de 0.05 a 0.25 de tirante (y)

Aforo con ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler)

8.- DISTRIBUCIÓN DE LAS VELOCIDADES EN LAS DIFERENTES SECCIONES

¿ Con qué se mide la velocidad???

Molinete. Tiene una hélice o ruedas con aspas que giran impulsadas por la corriente y mediante un cable transmiten el número de revoluciones por minuto o segundo con que gira la hélice

Molinete

Escandallo. Es el peso hecho de plomo en forma hidráulica para fijar el molinete

OTROS MÉTODOS DE MEDICIÓN DEL GASTO

EQUIPO ADCP (acoustic Doppler Current Profiler) PARA REALIZACIÓN DE BATIMETRÍAS

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750 m P1

P2

P3

P4

P5

P6

P7 P8

P9

P10 P11

P12

P13

P14

Topographie DGPS

Bathymétrie ADCP

CURVAS ELEVACIONES-GASTO

Una curva elevación-gasto relaciona la elevación de la superficie

libre del agua con el gasto que pasa por la sección.

Esta se construye con datos obtenidos de varios aforos

CAMBIOS EN LAS SECCIONES TRANSVERSALES DE LOS RÍOS DE FORMA CONTINUA DEBIDO A PROCESOS DE EROSIÓN Y SEDIMENTACIÓN

Realización aforos con frecuencia para actualizar la curva de elevaciones-gastos

Conocida la curva de elevaciones-gasto del aforo, es necesario determinar

la elevación de la superficie libre del agua para conocer el gasto en

cualquier momento.

Algunos métodos son los siguientes

1.- limnímetro,

2.- limnígrafo

1.- limnímetro.

regla graduada que se coloca en las márgenes del cauce, en la que

normalmente se lee la elevación de la superficie cada dos horas en época de

avenidas y cada 24 horas en época de estiaje

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Limnígrafo.

es un aparato automático con el que se obtiene un registro continuo de

niveles. Se coloca junto a la corriente conectado mediante un tubo o

zanja o dentro de ella

EJEMPLO

VALLE DEL MEZQUITAL

Fuente: Lesser et al., 2011

Ejemplo de canales de irrigación: Zona Valle del Mezquital

Fuente: CNA 1998

Canal no revestido, Valle del Mezquital

Sembradío de Alfalfa en la zona del Valle del Mezquital

Canal Revestido en el Valle del Mezquital