hidrÁulica parte de la física que estudia el comportamiento mecánico del agua superficial o...
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HIDRÁULICA
Parte de la física que estudia el comportamiento mecánico del agua superficial o subterránea Carácter pluridisciplinar
RELACIÓN CON OTRAS CIENCIAS
Hidrología (aguas continentales) Hidrometeorología (lluvia) Hidrografía (descripción de los mares y corrientes de agua) Ingeniería ambiental
HIDRÁULICA
Sistemas de unidades utilizados (Mecánica Clásica)
Propiedades del agua:
Densidad y peso específico Coeficiente de compresibilidad Viscosidad Tensión de saturación del vapor de agua Celeridad de las ondas elásticas
HIDRÁULICA
Densidad: ρ = 1.000 kg masa/ m3 (Sistema Internacional)
Peso específico:γ = 9.810 N / m3 10.000 N / m3 (Sistema Internacional)
Coeficiente de compresibilidad = - (dV/V) / dp
Módulo de elasticidad volumétrico:Ke = - dp / (dV/V)
Ke = 21,39 x 108 N / m2 para 20ºCPrácticamente invariable con la temperatura y con la presión
HIDRÁULICA
Viscosidad = (dv/dy)
En fluidos newtonianos la viscosidad absoluta es independiente gradiente de velocidad (velocidad de deformación angular (dv/dy)) y solo depende de la temperatura y muy poco de la presión (AGUA)
Viscosidad cinemática
= / 1,57 x 10-6 m2/s para una temperatura de 4ºC y 1,01 x 10-6 para 20ºC
Tensión de saturación del vapor de aguaA 20ºC 0,238 m.c.a.
Celeridad de las ondas elásticas: Variable
HIDRÁULICA
Consideraciones a tener en cuenta en problemas hidráulicos (Formulación físico-matemática, coeficientes experimentales)
a) Comparación de condiciones generales y particularesb) Aplicación del coeficiente empírico adecuadoc) Utilización de ábacos (condicionada por b)
COEFICIENTES EXPERIMENTALES
De fricción Darcy-Weisbach (f). (Se aplica a tuberías en presión)
De rugosidad de Manning (n). (Cauces abiertos, conductos parcialmente llenos)
HIDRÁULICA
COEFICIENTES EXPERIMENTALES
De Manning-Strickler (M). (Tiene en cuenta la rugosidad de las paredes de la conducción)
De rugosidad de Bazin (ã). (Mismos casos que Manning).
De rugosidad de Chezzy (C). (Mismos casos que los anteriores).
Coeficiente de contracción (c). (Estrechamiento en la sección de paso del agua).
Coeficiente de Weisbach (k). (Apertura o cierre de válvulas, compuertas).
HIDRÁULICA
COEFICIENTES EXPERIMENTALES
Coeficiente de pérdidas en bifurcaciones (k). (Tiene en cuenta el ángulo con el que se produzca la bifurcación.
Coeficiente de Saint-Venant para pérdidas en codos y curvas (k). (Depende del ángulo que formen las dos alineaciones de la tubería).
Coeficiente para cambio de sección. (Ensanches y estrechamientos de tuberías).
Coeficiente de pérdida de carga en el desagüe.
INGENIERÍA HIDRÁULICAAPLICACIONES
Aprovechamientos hidroeléctricos Aprovechamientos industriales Aprovechamientos sanitarios (*) Aprovechamientos agrícolas
OBRAS HIDRÁULICAS
Captación y regulación (Presas, azudes, pozos) Transporte Uso (Centrales hidroeléctricas, Redes) Obras de uso múltiple
INGENIERÍA HIDRÁULICAUSOS DEL AGUA
Utilización integral de una cuenca hidrográfica y una unidad hidrogeológica
USOS COMPATIBLES USOS COMPLEMENTARIOS USOS ALTERNATIVOS O INCOMPATIBLES
(La legislación prevé una preferencia según la repercusión social: primero abastecimientos o poblaciones, segundo riegos, tercero energía y usos industriales).
USOS DEL AGUA
Consuntivos No Consuntivos
INGENIERÍA HIDRÁULICAUSOS DEL AGUA
USOS NO CONSUNTIVOS
HIDROELÉCTRICOS (Retorno 100 % sin alteración de la calidad) NAVEGACIÓN (Retorno 100% posible alteración de la calidad) RECREATIVOS
USOS CONSUNTIVOS
RIEGO (Retorna 0-50% con retraso y en puntos no definidos) ABASTECIMIENTOS (Retorna 65-70% sin calidad) RECREATIVOS
INGENIERÍA HIDRÁULICAEFECTOS DE LAS OBRAS HIDRÁULICAS
UNA OBRA HIDRÁULICA SIGNIFICA POR SÍ UNA ALTERACIÓN DE LA NATURALEZA
PERTURBACIÓN EN EL PAISAJE
MODIFICACIÓN DE LAS CONDICIONES DEL HÁBITAT FLUVIAL QUE OCASIONAN CAMBIOS EN LA FLORA Y FAUNA CIRCUNDANTE
INGENIERÍA HIDRÁULICAETAPAS DEL DESARROLLO HIDRÁULICO
Desarrollo Inconexo o “De Oportunidad” Es el período durante el cual se considera que hay agua sobrada para las necesidades . No se cuida su utilización. Según la bibliografía se considera que esta fase dura hasta utilizar el 50% de los
recursos disponibles.
Desarrollo IntegralEl agua ya no es sobrada para las necesidades. Ello obliga a prever y ordenar su uso óptimo. Las cuencas hidrográficas y las unidades hidrogeológicas se estudian como un conjunto y se proyectan las
obras de forma que se obtengan usos variados y con la mejor utilización total, sacando el máximo partido posible a las obras de regulación. Esta etapa suele durar hasta la utilización de un 80% de los recursos naturales.
INGENIERÍA HIDRÁULICAETAPAS DEL DESARROLLO HIDRÁULICO
Superaprovechamiento
Se sobrepasa la utilización de alrededor del 80% de los recursos naturales. Preciso extremar aún más la ordenación del uso del agua y la coordinación entre recursos y usos. Nos aproximamos al límite de posibilidades. Para ello se reforman las obras existentes y se recurre a los
trasvases de cuencas, a la desalinización del agua del mar, a la depuración de las aguas, a la recarga de acuíferos, a controlar la intrusión marina en los acuíferos. Por todos estos motivos esta etapa se llama también de aprovechamiento integral.
HIDROSTÁTICAParte de la hidráulica que estudia el comportamiento del agua en estado de reposo
PRESIÓNComponente normal de la fuerza que actúa sobre la superficie de un determinado
volumen de agua por unidad de área del mismo
p = F / Sp = x g x h
pabs = prelativa + pabsoluta
HIDROSTÁTICAPRINCIPIO DE PASCAL
Si se ejerce una presión cualquiera en la superficie de un líquido en equilibrio, esta presión se transmite íntegramente en todos los
sentidos es decir, a todas las moléculas del líquido
PRESIÓN SOBRE UNA PARED PLANALa presión que los líquidos ejercen contra una pared plana, es
siempre normal a ella, cualquiera que sea su orientación
HIDROSTÁTICAEMPUJE
Fuerza total que está soportando una superficie de contorno, forma y dimensiones determinados
PRESIÓN MEDIALa Presión Media se obtiene dividiendo la presión total o empuje, por el
área de la superficie estudiada
HIDROSTÁTICA
PAREDES PLANAS SOPORTANDO PRESIÓN HIDRÁULICA
Un cuerpo que se halla totalmente sumergido tiene todos los puntos de su superficie externa sometidos a presión hidrostática. El cuerpo trabajará
mecánicamente a compresión
Si debido a la disposición constructiva, el cuerpo plano sólo soporta presión por una cara (compuertas planas o muros en depósitos), la única presión actuante someterá a la compuerta a esfuerzos de flexión y corte: ha de
resistir como una viga o como una placa
HIDROSTÁTICAFLOTACIÓN
Principio de ArquímedesTodo cuerpo inmóvil sumergido total o parcialmente en un
fluido, sufre un empuje de abajo arriba, equivalente al peso del fluido desalojado. Este empuje se aplica en el centro de gravedad del volumen del fluido desalojado.
Condiciones de equilibrio de los cuerpos flotantes
Si se sumerge en el agua un cuerpo de densidad inferior a ella, éste se elevará hacia la superficie hasta quedar flotando en una posición de equilibrio. La subpresión (flotando) será igual al peso del líquido
desplazado, y actuará en el centro de gravedad del volumen desplazado, punto llamado centro de carena.
Se representa por G el c. de g. del cuerpo flotante, y por C el c. de carena.
HIDROSTÁTICAFLOTACIÓN
Recíproco del Principio de Arquímedes
Todo cuerpo sumergido en un líquido pesado, en equilibrio estático, ejerce sobre el líquido una presión vertical de
arriba abajo, igual al peso del volumen de líquido desalojado
HIDRODINÁMICAParte de la hidráulica que estudia el comportamiento mecánico del agua en movimiento
CLASIFICACIÓN DE LOS FLUJOS
Según las variaciones de las magnitudes hidráulicas (veloc.media y presión) en el tiempo y el espacio (eje de la conducción). • Régimen permanente (Q constante)
Régimen permanente uniforme (V=cte en tiempo y espacio) Régimen permanente variado (V=cte en tiempo, no en espacio)- - Gradualmente variado
- Bruscamente variado • Régimen variable o transitorio (Q variable, V variable)
Golpe de ariete / Oscilación en masa
HIDRODINÁMICAECUACIÓN DE CONTINUIDAD
Expresión matemática consecuencia del principio de conservación de masa:Dado un tubo de fluido cualquiera, por unidad de tiempo ingresa en él la misma cantidad de fluido en un extremo que
sale por el otro extremo.
S1 v1 = S2 v2
Caudal = Sección x velocidad
Variaciones de sección en tubos implicarán variaciones en la velocidad del agua
HIDRODINÁMICANÚMERO DE REYNOLDS
Clasificación de las corrientes de agua generadas por el grado de turbulencia:Corrientes laminares
Las partículas del líquido recorren trayectorias rectas y paralelas entre síCorrientes turbulentas
Movimiento desigual de cada partícula (Pérdidas de energía)
Movimiento laminar < velocidad crítica < Movimiento turbulento
La velocidad crítica depende del diámetro del tubo y del valor de la densidad y viscosidad del fluido. Para cualquier fluido se presentan las condiciones críticas cuando el llamado número de Reynolds, que es adimensional, supera a un
valor experimental del orden de 2.300
HIDRODINÁMICA
NÚMERO DE REYNOLDS
Re = * V * D /
Dado que = /
El número de Reynolds en función de la viscosidad cinemática será:
Re = V * D /
Por tanto la velocidad crítica se obtiene
Re = 2.300 = Vc * Dc /
HIDRODINÁMICATEOREMA DE BERNOUILLI
Energía del Agua
Potencial: Por su altura sobre el nivel del mar
Ep = P * z
Cinética: Por su velocidad
Ec = m * v2 / 2 = P * v2 / 2 g
De presión: Por el peso del agua que tiene encima, o sea, por su profundidad respecto del nivel libre superior
Epr = p * s * e = P * p / Habiendo tenido en cuenta que:
Peso = P = Volumen * peso específico = S * e * ; e = P /(S * )
HIDRODINÁMICATEOREMA DE BERNOUILLI
Energía del Agua
Las energías calorífica y elástica pueden despreciarse en hidráulicaEtotal = Epotencial + Ecinética + Epresión
Energía por unidad de peso:
Potencial: Ep = P * z E = zE = z
Cinética: Ec = P * v2 / 2 g E = vE = v22 / 2 g / 2 g
De presión: Epr = P * p / E = p / E = p /
HIDRODINÁMICA
TEOREMA DE BERNOUILLI Es una relación matemática de las condiciones energéticas que definen
una corriente permanente de un líquido. Para llegar al teorema se parte del principio de la conservación de la energía mecánica en un sistema cerrado, utilizándose en este caso el concepto de energía por unidad de peso.
Energía inicial = energía en cualquier instante = cteEnergía inicial = energía en cualquier instante = cte
zzoo + p + poo / / + v + v
oo 22 / (2 * g) = z / (2 * g) = z
nn + p + pn n // + v + v
nn22 / (2 * g) = constante / (2 * g) = constante
HIDRODINÁMICA
CARGA HIDRÁULICA La carga hidráulica es la energía por unidad de peso:
Carga hidráulica = h = z + p / + v2 / (2 * g)
Plano de carga o carga hidráulica es el nivel de energía más alto de la conducción, el cual se encuentra siempre en el origen, debido a las pérdidas
de carga que sufre el agua en su desplazamiento.
La diferencia, constante existente entre el plano de cargaplano de carga y plano deplano de comparacióncomparación se denomina altura de Bernouilli altura de Bernouilli HHBB
HIDRODINÁMICA
PÉRDIDAS DE CARGA Energía inicial = Energía en un estado posterior + EperdidaEnergía inicial = Energía en un estado posterior + Eperdida
Pérdidas h: • Debidas al rozamiento ordinario a lo largo de la
conducción• Producidas en las singularidades
hB = J1 * L1 + J2 * L2 + ……+ Jn * Ln + hsingularidad = (J * L) + hsingularidad
TEOREMA DE BERNOUILLI GENERALIZADO
zzoo + p + poo / / + v + v
oo 22 / (2 * g) = z / (2 * g) = z
nn + p + pn n // + v + v
nn22 / (2 * g) + h = constante / (2 * g) + h = constante
HIDRODINÁMICA
LINEA PIEZOMÉTRICA Es una línea ideal representativa de la altura o nivel de presión
existente en cada punto de la conducción
LINEA DE ENERGÍA Es una línea ideal representativa del nivel de energía real, es decir, el
plano de carga particular que existe en cada punto. Se obtiene restando del plano de carga inicial, el valor de las pérdidas de
carga habidas por toda causa entre el origen y el punto considerado.
Línea Piezométrica = h = z + p /
Conducciones por gravedad: h = z Conducciones a presión: h = z + p /
HIDRODINÁMICA
Entre la línea piezométrica y la línea de energía, queda, en cualquier punto, una distancia o altura vertical correspondiente a la velocidad con que fluye el punto líquido considerado: es el sumando V2 / (2 * g) de la suma de Bernouilli.
RÉGIMEN PERMANENTE A SECCIÓN CONSTANTE
Las líneas piezométricas y de energía son paralelas: las separa en todo momento la altura representativa de una velocidad constante.
APARICIÓN DE SINGULARIDAD SIN CAMBIO DE DIÁMETRO
Bajada brusca de ambas líneas, que equivale a la pérdida de carga prácticamente instantánea por la singularidad
CAMBIO DE DIÁMETRODisminución de sección: La línea piezométrica baja mucho más que la de
energía. Separación de las líneasAumento de sección: Acercamiento de las líneas
HIDRODINÁMICAEl eje hidráulico de una conducción cerrada da las alturas geométricas o cotas z de
cada punto representativo de la conducción.
El eje hidráulico de una corriente abierta (canal), es de muy distinta naturaleza porque equivale a la línea piezométrica (nivel libre).
La coincidencia entre la línea piezométrica y la línea de energía sólo se produce en condiciones hidrostáticaszA + pA / = zB + pB /
HIDRODINÁMICANIVEL FREÁTICO
Ccncepto ligado a las aguas subterráneas. El nivel freático es la superficie que separa la zona saturada de agua de la no saturada de
agua en un medio poroso y por tanto se encuentra siempre a la presión atmosférica.
Este concepto sólo se utiliza cuando nos encontramos con acuíferos libres, pues son los únicos en los que la presión de este nivel es la atmosférica.
En otro tipo de almacenamiento de aguas subterráneas se tiene que hablar de nivel piezométrico y no freático, pues la presión de la superficie libre es distinta de la
atmosférica.