HIDRULICA IIUNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA

CURSO:Hidrulica IIALUMNOS:lvarez Villanueva, JairoBustamante Ruitn, FreddyHuamn Sevilla, ZeidyRamos Correa, AntenorRodrguez Ortiz, Mara IsabelVilela Lpez, RafaelDOCENTE:Ing. Luis Vsquez Ramrez

I. INTRODUCCIN

Uno de los aspectos que generalmente merece especial atencin en el diseo de obras hidrulicas es la disipacin de la energa cintica que adquiere un flujo en su descenso. Esta situacin se presenta en vertederos de excedencias, estructuras de cada, desfogues de fondo, bocatomas, salidas de alcantarillas, etc.La estructura disipadora de energa es una parte importante de la obra de excedencia que tiene por objeto disipar la energa cintica que el agua adquiere en su cada desde el vaso hasta un sitio adecuado en el fondo del cauce, donde no genere problemas de erosin o socavacin. Estas estructuras se disearn para que el agua, que sale del canal de descarga, se aleje lo mximo posible, dentro de lo econmico, de la cortina o de alguna estructura complementaria.El tipo de disipador de energa que se disee depende de la clase de material que se tenga en el sitio en que se puede descargar la avenida. Cuando se tenga roca sana, se puede descargar el agua directamente del vertedor, en rgimen rpido, sin necesidad de pasar a rgimen tranquilo, siempre que no vaya a causar problema a la pequea presa o bordo de almacenamiento. Si el material es erosionable, se disea un tanque amortiguador de seccin transversal rectangular, hecho de mampostera o concreto armado.Se debe estar consciente, que una falla en el diseo, instalacin u operacin de los disipadores puede llevar a problemas como socavacin, erosin o retencin de material, que pueden terminar produciendo la falla del vertedero y posteriormente la falla de la presa.En el presente informe, se detallar el proceso y resultados obtenidos en la prctica de laboratorio con disipadores de energa. II. OBJETIVOS

Disear tres tipos de disipadores de energa segn el nmero del froude. Observar la fuerza y arrastre as como la socavacin que se genera en un resalto hidrulico. Aprender a identificar un salto hidrulico, clasificarlo y calcular la prdida de energa que genera, calcular y medir la longitud del mismo, asi como definir la necesidad de una estructura disipadora de energa.

III. MARCO TERICO

3.1. EL RESALTO HIDRULICOEs 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 fenmeno presenta un estado de fuerzas en equilibrio, en el que tiene lugar un cambio violento del rgimen de flujo, de supercrtico a subcrtico.Las caractersticas del resalto hidrulico han sido aprovechadas para reducir las velocidades de flujo en canales, a valores que permitan el escurrimiento sin ocasionar tensiones de corte superiores a los lmites permitidos por los materiales que componen el permetro mojado. El lugar geomtrico en el que se presenta el resalto se denomina colchn hidrulico.Una de las aplicaciones prcticas ms importantes del salto hidrulico, es que se utiliza para disipar la energa del agua que fluye sobre presas, vertedores y otras estructuras hidrulicas, y prevenir de esta manera el fenmeno de socavacin aguas debajo de dichas estructuras (Figura 1).

Fig. N 1 Vertedor de cresta de cada rpida con resalto

3.2. GENERACIN DEL RESALTO HIDRULICOEl resalto hidrulico 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 fenmeno presenta un estado de fuerzas en equilibrio, en el que tiene lugar un cambio violento del rgimen de flujo, de supercrtico a subcrtico. 3.3. GENERACIN DEL RESALTO HIDRULICO

El resalto hidrulico 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 fenmeno presenta un estado de fuerzas en equilibrio, en el que tiene lugar un cambio violento del rgimen de flujo, de supercrtico a subcrtico. Consideremos el siguiente esquema:

Fig. N 2 Resalto Hidrulico

En la seccin 1 actan las fuerzas hidrosttica F1h y dinmica F1d; en forma similar, pero en sentido contrario en la seccin 2, F2h y F2d. En ambas secciones la sumatoria de fuerzas da como resultado F1 y F2 respectivamente. En el estado de equilibrio, estas fuerzas tienen la misma magnitud, pero direccin contraria (la fuerza F1h es menor a F2h, inversamente F1d es mayor a F2d). Debido a la posicin de las fuerzas resultantes, ambas estn espaciadas una distancia d, lo cual genera un par de fuerzas de la misma magnitud, pero de sentido contrario. En razn a la condicin de lquido, las partculas que la componen adquirirn la tendencia de fluir en la direccin de las fuerzas predominantes, presentndose la mezcla del agua con lneas de flujo superficiales movindose en sentido contrario a la direccin de flujo y de manera inversa en la zona cercana a la solera. Tirante conjugado (aguas abajo del resalto):

...... Ecua 01Con

......Ecua 02La expresin del nmero de Froude (nmero adimensional que expresa la relacin entre las fuerzas de inercia y de gravedad), permitir obtener la expresin adimensional de tirantes conjugados:

......Ecua 03El tirante antes y despus del resalto hidrulico resulta funcin del Nmero de Froude. Las caractersticas del resalto hidrulico han sido aprovechadas para reducir las velocidades de flujo en canales a valores que permitan el escurrimiento sin ocasionar tensiones de corte superiores a los lmites permitidos por los materiales que componen el permetro mojado. El lugar geomtrico en el que se presenta el resalto se denomina colchn hidrulico. Diferentes investigadores han profundizado en el tema de la disipacin de la energa a travs de un resalto hidrulico; algunos han puesto atencin a la relacin entre los tirantes y condiciones de flujo antes y despus del resalto, los menos han abordado los mecanismos internos que gobiernan este fenmeno hidrulico. Se ha investigado diferentes formas de colchones hidrulicos con el objeto de lograr una mejor disipacin de energa en una menor longitud.3.4. TIPOS DE RESALTO HIDRULICOPrcticamente, el resalto hidrulico es un medio til para disipar el exceso de energa en un flujo con rgimen supercrtico. Su importancia radica en prevenir la erosin en la base de la estructura aguas debajo de los vertedores de excedencia, rpidas y compuertas deslizantes, ya que esto reduce rpidamente la velocidad del flujo sobre un piso protegido hasta un punto donde el flujo pierde su capacidad de socavar el lecho (Figura 3).

Fig. N 3 Tramo de resalto hidrulico

El resalto hidrulico utilizado para la disipacin de energa y al lugar geomtrico en el que se presenta el resalto se le denomina colchn hidrulico.Cuando el nmero de Froude de la descarga es igual a 1.0, el rgimen es crtico y el resalto no se puede formar. Cuando los nmeros de Froude varan de 1.0 hasta aproximadamente 1.7, la circulacin tiene un rgimen slo ligeramente inferior al del tirante crtico, y el cambio de la circulacin con un tirante pequeo a uno elevado es gradual y se manifiesta solamente por una ondulacin ligera de la superficie del agua. Al aproximarse el nmero de Froude al valor de 1.7se comienza a formar en la superficie una serie de pequeas ondulaciones, que se hacen mayores con los valores ms elevados del nmero. Aparte de las ondulaciones superficiales, prevalece un flujo bastante uniforme hasta que el nmero de Froude llega aproximadamente a2.5.Cuando los nmeros de Froude tienen valores comprendidos entre 2.5 y 4.5 se produce un resalto oscilante, el chorro entrante corre alternativamente cerca de la plantilla y luego a lo largo de la superficie del canal de aguas abajo. Este flujo oscilante produce ondas superficiales perjudiciales que llegan mucho ms all del extremo del colchn amortiguador. En la variacin de nmeros de Froude comprendida entre 4.5 y 9, ocurre un resalto estable y bien equilibrado. La turbulencia est con final al cuerpo principal del resalto, y la superficie de flujo aguas abajo esta comparativamente pareja. Al aumentar el nmero de Froude a ms de 9,la turbulencia dentro del resalto y el remolino de la superficie aumenta en actividad, resultando una superficie del agua irregular con ondas superficiales fuertes aguas abajo del resalto. En la figura 4 se ilustran formas del fenmeno del resalto hidrulico para varias series de valores del nmero de Froude. Frentre 1.7 y 2.5 Forma A Rgimen antes del resalto Frentre 2.5 y 4.5 Forma B Rgimen de transicin Frentre 4.5 y 9.0 Forma C Zona de resaltos bien balanceados Frmayor a 9.0 Forma D Resalto efectivo pero con una superficie muy irregular aguas abajo

3.5. DISIPADORES DE ENERGACuando el agua corre por el vertedero y los canales o tneles de descarga contienegran cantidad de energa y mucho poder destructivo debido a las altas presiones y velocidades.stas puedencausar erosin en lecho del ro, en el pie de la presa, o en las estructuras mismas de conduccin, poniendo en peligro la estabilidad de las estructuras hidrulicas.Por lo tanto se deben colocar disipadores de energa.Para la seleccin del tipo de disipador se debe tener las siguientes consideraciones:1. Energa de la corriente.2. Economa y mantenimiento ya que ste eleva mucho el costo.3. Condiciones del cauce aguas abajo (roca, suelo erodable, etc).4. Ubicacin de las vas de acceso, casa de mquinas, y dems estructuras hidrulicas ya que su seguridad no puede quedar comprometida.5. Congelamiento.6. Efecto de las subpresiones y del vapor de agua sobre las instalaciones.7. Daos causados a la fauna y la flora por la erosin.8. Proyectosy poblaciones aguas abajo.

Existen varios tipos de disipadores de energa, entre los cuales se tienen: Bloques de concreto o bafles:Se instalan en el piso del tanque amortiguador para estabilizar el salto suministrando una fuerza en el sentido de aguas arriba.Tambin se instalan a lo largo del canal de descarga, intercalados, para hacer que el flujo tenga un recorrido ms largo y curveado, disminuyendo su velocidad. Dientes o dados:Se colocan a la entrada del tanque amortiguador para dispersar el flujo.Tambin se colocan en los vertederos y canales de descarga para disminuir la energa por medio de impacto.Cuando se colocan en la contraescarpa distribuyen el impacto en un rea mayor.Por medio del uso de modelos reducidos se ha llegado a la conclusin que son muy eficaces para caudales pequeos pero para grandes, el agua se subdivide con violencia y es lanzada en arco de gran altura y al caer provoca socavaciones en el terreno.Debe tenerse en cuenta las cargas adicionales sobre la estructura que transmiten los dados amortiguadores al vertedero, para que por mal diseo de estos no se comprometa la estabilidad de la presa. Escalones:Se colocan con mayor frecuencia en el canal de descarga y disipan la energa por medio de impacto e incorporacin de aire al agua. Tanques amortiguadores:Disipa la energa cintica del flujo supercrtico al pie de la rpida de descarga, antes de que el agua retorne al cauce del ro.Todos los diseos de tanques amortiguadores se basan en el principio del resalto hidrulico, el cual es la conversin de altas velocidades del flujo a velocidades que no puedan daar el conducto de aguas abajo.La longitud del tanque debe ser aproximadamente la longitud del resalto.sta se puede disminuir construyendo bloques de concreto, dientes o sobre elevando la salida.Es muy importante tener en cuenta el nmero de Froude para saber la forma y caractersticas del resalto y del flujo y asdefinir el tipo de estanque.

La siguiente grfica muestra como va variando el rgimen del flujo a medida que aumenta la velocidad en un tanque tipo I en el cual se provoca un piso horizontal, sin bloque de impacto, dientes o umbral extremo.Frecuentemente no resulta un tanque atractivo debido a su excesiva longitud.De acuerdo con el nmero de Froude, los tanques empleados son :1.Cuando Froude es menor que 1,7 no necesita emplear tanques amortiguadores, deflectores u otros dispositivos amortiguadores.2.Cuando 1,7