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Metodología de la Investigación CIV- 300

COMO MEJORAR LAS CONDICIONES DEL FLUJO RAPIDAMENTE VARIADO (RESALTO HIDRAULICO)

SUMARIO1) INTRODUCCION

2) PROBLEMA

3) OBJETIVOS

4) HIPOTESIS

5) JUSTIFICACION

6) NOVEDADES

7) BIBLIOGRAFIA

DESARROLLO1) INTRODUCCION

1.1) GeneralidadesUn canal abierto es un cauce natural o artificial, canal o conducto en el cual el agua fluye con una superficie libre. Se lo denomina también “flujo a superficie libre”El movimiento de los ríos así como el flujo de líquidos en canales y tuberías parcialmente llenas son flujo a superficie libre donde actúa la presión atmosférica. La condición de no deslizamiento de los fluidos, en este caso en la interface aire- agua, induce al movimiento del aire por lo que se dice el aire es atrapado por el agua por la fricción en la superficie libreEn este tipo de flujo también se aplican los principios fundamentales de la hidráulica. Conservación de la energía, conservación de la masa (continuidad) El flujo de agua en un conducto puede ser flujo en canal abierto o flujo en tubería. Estas dos clases de flujo son similares en muchos aspectos pero se diferencian en un aspecto importante. El flujo en canal abierto debe tener una superficie libre, en tanto que el flujo en tubería no la tiene, debido a que en este caso el agua debe llenar completamente el conducto. Una superficie libre está sometida a la presión atmosférica de manera directa. El flujo en tubería, al estar confinado en un conducto cerrado, no está sometido a la presión atmosférica de manera directa, si no solo a la presión hidráulica

Univ. Oros Quiroga Leonardo Página 1


Las dos clases de flujo se comparan en la figura 1-1. A la izquierda de está se muestra el flujo en la tubería

A pesar de la similaridad que existe entre estos dos tipos de flujos, es mucho más difícil resolver problemas en canales abiertos que en tuberías a presión

1.2) Clasificación de flujos en canales abiertos El flujo en canales abiertos puede clasificarse en muchos tipos y describirse de varias maneras. La siguiente clasificación se hace de acuerdo con el cambio en la profundidad de flujo respecto al tiempo y al espacioFlujo permanente y flujo no permanente: tiempo como criterio: Se dice que el flujo en un canal abierto es permanente si la profundidad de flujo no cambia o puede suponerse constante durante el intervalo de tiempo en consideración. El flujo es no permanente si la profundidad cambia con el tiempo. En la mayor parte de los problemas de canales abiertos es necesario estudiar el comportamiento del flujo en condiciones permanentes Flujo uniforme y flujo variado: espacio como criterio.- Se dice que el flujo en canales abiertos es uniforme si la profundidad del flujo es la misma en cada sección del canal. Un flujo uniforme puede ser permanente o no permanente según cambie o no la profundidad con respecto al tiempo El flujo uniforme permanente es el tipo de flujo fundamental que se considera en la hidráulica de canales abiertos. La profundidad del flujo no cambia durante el intervalo de tiempo bajo consideración. El establecimiento de un flujo uniforme no permanente requeriría que la superficie del agua fluctuara de un tiempo a otro a otro pero permaneciendo paralela al fondo del canal El flujo es variado si la profundidad de flujo cambia a lo largo del canal. El flujo variado puede ser permanente o no permanente, debido a que este flujo el uniforme no permanente es poco frecuentePara tener una mayor claridad, la clasificación del flujo en canales abiertos se resume de la siguiente manera:



Los diferentes tipos de flujo se esquematizan en la figura 1-2. Con propósitos ilustrativos (la escala vertical es exagerada, debido a que los canales tienen bajas pendientes de fondo)

Fig. 1-2 Diferentes tipos de flujos

1.3) Características del flujoEl flujo rápidamente variado tiene curvatura de sus líneas de corriente muy pronunciadas. El cambio de la curvatura puede volverse tan abrupto que el perfil de flujo virtualmente se rompe, dando como resultado un estado de alta turbulencia; este es el flujo rápidamente variado con perfil discontinuo, del cual el resalto hidráulico es un ejemplo.



Se debe considerar los siguientes aspectos característicos del flujo rápidamente variado:a) La curvatura del flujo es tan pronunciada que no puede suponerse que la

distribución sea hidrostática b) La variación rápida del régimen del flujo a menudo ocurre en un tramo más

o menos corto. Por consiguiente la fricción en las fronteras, la cual debería jugar el papel primordial en el flujo gradualmente variado, es comparativamente pequeña y en la mayor parte de los casos es insignificante

c) Cuando un flujo rápidamente variado ocurre en una estructura de transición abrupta, las características del flujo en lo fundamental están fijadas por la geometría de la frontera de la estructura y por el estado del flujo

d) Pueden ocurrir zonas de separación, remolinos y corrientes secundarias que tienden a complicar el patrón de flujo en un flujo rápidamente variado y a distorsionar la distribución real de velocidades en la corriente

1.4) Resalto hidráulico.- En 1818 se realizo las primeras investigaciones experimentales del resalto hidráulico, en principio, la teoría del resalto hidráulico se presenta a canales horizontales o ligeramente inclinados en los que el peso del agua dentro del salto tiene muy poco efecto sobre su comportamiento y por consiguiente no se considera en el análisis Las aplicaciones prácticas del resalto hidráulicas son muchas se pueden utilizar: para 1) disipar la energía del agua que fluye sobre presas, vertederos y otras estructuras hidráulicas 2) recuperar altura o aumentar el nivel del agua en el lado de aguas debajo de una canaleta de medición y mantener un nivel alto del agua en el canal de la irrigación 3) incrementar el peso sobre el sobre la zona de aguas debajo de una estructura de mampostería y reducir la presión arriba bajo dicha estructura aumentando la profundidad del agua en su zona, 4) aumentar el caudal por debajo de una compuerta deslizante manteniendo alejada la profundidad de aguas abajo; 5) para indicar condiciones especiales de flujo, como la existencia de flujo supe critico o la presencia de una sección de control; 6 mezclar químicos utilizados para la purificación de agua y casos similares; 7) airear el agua con sistemas de suministros urbanos 8) remover bolsas de aire en las líneas de suministros de agua y prevenir el taponamiento por aire

1.5) Tipos de salto:Tabla 1



fig1.3 tipos de salto hidráulico



1.6) Características básicas del salto hidráulicoa) Perdidas de energía.- En el resalto la perdida de energía es igual a la

diferencia de las energías especificas antes y después del salto es to se puede demostrar:

b) Eficiencia.- La relación entre la energía especifica antes y después del salto se define como la eficiencia del salto puede demostrarse que la eficiencia es :

c) Altura del resalto.- la diferencia de las profundidades antes y después del resalto es la altura del resalto

1.7) Longitud del resalto Esta puede definirse como la distancia medida desde la cara frontal del resalto hasta un punto en la superficie inmediatamente aguas abajo del remolino. En teoría la longitud del resalto no puede determinarse con facilidad pero ha sido investigada experimentalmente por muchos ingenieros hidráulicos. Los datos experimentales sobre la longitud del resalto pueden graficarse mediante el número de Froude contra una relación a dimensional: L/ (Y2-Y1). La investigación sobre este tema ha llevado a la creencia de que esta discrepancia se debe al efecto de escala involucrado en los datos experimentales de Bakhmeteff y Matzke



1.8) Perfil de superficieEl conocimiento del perfil de superficie de un resalto es necesario en el diseño del borde libre para los muros laterales del cuenco disipador donde ocurre un resalto. También es importante determinar la presión que debe utilizarse en el diseño estructural, debido a que experimentos han demostrado que la presión vertical en el piso horizontal bajo un salto hidráulico es prácticamente la misma que indicaría el perfil de la superficie del agua

Fig. 1.5Perfiles de superficie

2) PROBLEMA Como observamos anteriormente el salto hidráulico si bien tiene beneficios,

también tiene perjuicios para con la estructura ya construida, pues si este resalto no es bien controlado puede ocasionar destrucciones en la estructura por la energía misma que produce este fenómeno

La intensidad del resalto varia ampliamente, se caracteriza por el desarrollo de turbulencia extrema de gran escala, por hondas superficiales y por roció, disipación de energía y entrampamiento de aire

El salto hidráulico produce destrucción en el canal dependiendo con la energía que venga este salto, para ello es necesario introducir en la construcción materiales de alta resistencia

Si el número de Froude oscila entre 2.5 a 4.5 antes del salto hidráulico el tipo de flujo es oscilante, que es un chorro intermitente del fondo del canal a la superficie, causando así olas persistentes corriente abajo

Si el número de Froude es mayor a 9 en el antes del salto hidráulico el flujo es fuerte produciendo así un flujo fuerte, con un resalto brusco, efectivo pero con superficie irregular ondulada aguas abajo con riesgo de erosión en el canal



3) OBJETIVOS

Objetivos principales ¿Como mejorar las condiciones del salto hidráulico para que este sea

bien aprovechado como disipador de energía, o aumentando el caudal requerido para determinada función del canal?

Objetivos secundarios ¿Como hacer el salto hidráulico más corto en longitud para poder

controlar la energía que este genere en el momento que ocurra el fenómeno?

¿Como evitar que el número de Froude antes de que se produzca el salto se encuentre en el intervalo de 2.5 a 4.5 o sea mayor a 9?

4) HIPOTESISComo planteamos en los objetivos nos proponemos a que el salto hidráulico no sea ni oscilante ni fuerte para evitar la erosión entonces.El salto hidráulico se da cuando el flujo pasa de un régimen supe crítico a un régimen subcrítico es decir el flujo pasa de ir velos a ir lento en este fenómeno actúan las distribuciones de presiones como veremos a continuación:

La ecuación del momentum indica que:

Y para canales rectangulares se tiene:

Sustituyendo éstos valores en la ecuación de momentum tenemos:

Descomponiendo la diferencia de cuadrados tenemos:



Que es una ecuación cuadrática se tiene:

Tomando la raíz positiva:

Como el número de Froude es:

Tenemos la ecuación de la altura conjugada:

Pérdida de energía:Aplicando la ecuación de la energía a dos puntos del salto hidráulico se tiene

Para un canal rectangular tenemos:

Longitud del resalto.-



Aproximadamente se tiene que la longitud de resalto es 5 veces y2, pero existe una fórmula aproximada para canales rectangulares según el USBR

Teniendo estas ecuaciones nos disponemos a analizar el salto hidráulicoPrueba de laboratorioEn laboratorio se dispuso a realizar las pruebas para poder observar si las ecuaciones son aplicables obteniendo así el siguiente resultado:

Tabla de Procesamiento de DatosSalto HidráulicoAncho del canal 0,08 m Longitud Canal 4,46 mVolumen [lts] 15 15 Tiempo [s] 15,8 15,4 Caudal [m3/s] 0,00094937 0,00097403

Parámetro Unidad Lectura Carga del vertedor H m 0,14 Abertura de la compuerta a m 0,013 Conjugada de entrada y1 m 0,01

Conjugada de entrada y2 m 0,051

Longitud de Resalto m 0,263 Cálculo de los valores teóricos Caudal Promedio Q m3/s 0,000961697

Área mojada en 1 A1 m2 0,0008

Área mojada en 2 A2 m2 0,00408

Velocidad en 1 V1 m/s 1,202120664

Velocidad en 2 V2 m/s 0,235709934

Altura de velocidad en 1 v21/2g m 7,365413E-02

Altura de velocidad en 2 v22/2g m 2,831762E-03

Número de Froude en 1 Fr1 3,8380759

Número de Froude en 2 Fr2 0,333240897

Relación experimental y1/y2 0,196078431

Relación experimental y2/y1 5,1

Relación teórico y1/y2 0,187094601

Relación teórico y2/y1 4,950839682

Pérdidas en el salto hp m 0,033784804Altura del salto Hs m 0,041Longitud del salto Lr m 0,255Clasificación del resalto Oscilante



La longitud del resalto medida experimentalmente fue de 0.265 m y mediante fórmula de 0.255 así que si tiene una variación del 3.92% del valor que es aceptable por ser un dato bastante complejo.El salto es clasificado como oscilante u oscilatorio de acuerdo a la Tabla 1, e indica allí que es un salto inestable el cual se debe evitar en el diseño

Este salto se dio libre es decir las únicas presiones que actuaban para que se produzca el salto hidráulico fueron las del fluido es decir energía de velocidad y energía de presión como vemos en la siguiente figura:

Fig. Medición de la longitud de saltoSi bien este salto es de longitud corta si actúan fuerzas en puntos donde el salto puede ocasionar destrozos en la estructura la disipación de energía será más eficiente como vemos a continuación

Fig. volumen de control En esta figura se ve el salto que se da en el flujo pero este no se encuentra libre hay una presión que actúan contra el flujo esta presión disminuye la ecuación de momentun, pues esta ya no se igualara a cero se igualara a la presión como vemos a continuación:



Esta ecuación recién exhibida es la ecuación de momentun cuando en esta actúan no solo las energías del fluido si no también de estos disipadores que pueden ser maximizados en el caso de canales para poder mejorar las condiciones del salto hidráulico.Como es de nuestro conocimiento el salto hidráulico se da cuando el flujo pasa de ser súper crítico a subcrítico esto se da como explicamos anteriormente en vertederos de rebose, una rápida o una compuerta deslizante:

Para estos saltos lo más recomendable es disipar la energía como vemos a continuación con cuencos disipadores: FIG (15)



¿Qué es un cuenco disipador?Son estructuras que nos sirve para contener o disminuir determinada energía del flujo En trabajos importantes o en aquellos que involucran un gran numero de cuencos disipadores, a menudo se necesitan diseños generalizados de los cuencos para razones económicas y para cumplir requerimientos específicos. Estos diseños pueden desarrollarse a través de años de experiencia y observaciones. Los cuencos diseñados de esta manera a menudo están provistos de accesorio especiales, incluidos bloque de rápida, umbrales y pilares deflectores Cuenco disipador SAF.- Este cuenco es mostrado en la figura 15 se desarrollo en el laboratorio de Hidráulica del laboratorio de San Antonio, en la Universidad de Minnesota, para ser utilizado en pequeñas estructuras de drenaje. Las reglas de diseño resumidas por el investigador Blaisdell son las siguientes:



Cuenco disipador USBR II.- A partir de los estudios intensivos de muchas estructuras existentes y de investigaciones de laboratorio se desarrollaron varios tipos de diseños generalizados de cuencos disipadores. Este cuenco lo origina un resalto hidráulico que ocurra en un piso plano sin ningún accesorio, y puede diseñarse con facilidad siguiendo los principios ya mencionados. El comportamiento de este cuenco indica que su longitud y la del resalto pueden reducirse alrededor del 60%



Fig. 16 (curvas de diseño y dimensiones del cuenco USBR II) (a) Definición de símbolos; (b) profundidades de salidas mínimas; (c) Longitud del salto hidráulico;

(d) superficie del agua y perfiles de flujo aproximado; (e) dimensiones recomendadas

¿Como mejorar las condiciones del salto hidráulico para que este sea bien aprovechado como disipador de energía, o aumentando el caudal requerido para determinada función del canal?

Ahora somos capaces de contestar esta interrogante. La forma más económica y práctica de disipar la energía cuando se produce salto hidráulico es mediante cuencos disipadores, estos siempre dirigidos hacia un canal propio en rápidas después de compuertas deslizantes, etc.



Evitando siempre con los disipadores en lo posible que el número de Froude se encuentre en el intervalos de 2.5 a 4.5 o que este sea mayor a 9 para evitar un salto comprometedor con la estructura, es decir que no realice destrucciones en la misma

5) JUSTIFICACION

6) NOVEDADES

7) BIBLIOGRAFIA


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