Hidráulica de canales las diversas particularidadesDescripción completa
Descripción: Laboratorio de mecánica de fluidos
Descripción: INFORME DE HIDRAULICA II
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Salto HidraulicoDescripción completa
Descripción: mecanica fluidos
LABORATORIO DE HIDRAULICA DE CANALESDescripción completa
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Reglamento Interno Laboratorio de Fluidos UANCVDescripción completa
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METODOS DE CALCULODescripción completa
METODOS DE CALCULODescripción completa
Flujo gradualmente variado.
Flujo gradualmente variado.
Cap Cap 5 - FR F R V
V. FLUJO RÁPIDAMENTE VARIADO
5.1 Clasificación Clasificac ión de FRV El Flujo Rápidamente Rápidamente Variado (FRV) se presenta cuando el cambio cambio de estado subcrítico a supercrítico o viceversa se efectúa rápidamente sobre una distancia corta, es conocido también como fenómeno local dentro de los cuales están: caída hidráulica, caída libre y resalto hidráulico.
F i g 5.1 5.1 Re R esalto salto H i dr áulico en en Ca C anal de de L abo abor atori atorio o
C aí da Hi H i dr áulica Un rápido cambio en la profundidad del flujo debido a un cambio de régimen subcrítico subcrít ico a uno supercrítico resultará en una profunda depresión en la superficie del agua. Tal fenómeno es causado generalmente por un cambio abrupto en la pendiente del canal o en la sección transversal y es conocido como caída hidráulica.
yc
F i g 5.2 Caí Caí da H i dráulica
En la región transitoria de la caída hidráulica, aparece normalmente una curva contraria, conectando las superficies de agua antes y después de la caída. El punto de inflexión en la curva contraria indica la posición aproximada de la profundidad crítica en la cual la energía específica es un mínimo.
S.Sant S.Santos H .
Cap 5 - FRV
Caída Libre Ocurre cuando el fondo de un canal plano es discontinuo. Como la caída libre entra en el aire en forma de una lámina, no habrá curva opuesta o contraria en la superficie del agua hasta que ella golpee algún objeto en el nivel inferior.
F ig 5.3 Caída libre
5.2 Resalto Hidráulico Es un fenómeno local que se manifiesta como un cambio súbito del tirante desde un nivel bajo a un nivel alto en un tramo relativamente corto, con una pérdida de energía considerable (que se disipa principalmente como calor). El flujo pasa de un régimen supercrítico a subcrítico. El resalto hidráulico se presenta en:
Canal de gran pendiente sorpresivamente se vuelve (Rápidas)
que plano
F ig 5.4 Resalto H idráulico al pie de Rápida Sección rectangular
S.Santos H.
Canal bajo compuerta de regulación
Cap 5 - FRV
F ig 5.5 Salto Hidráulico bajo compuerta - Al pie de estructuras tales como vertederos de demasías, rápidas, etc.
F ig 5.6 F ormación de Resalto Hidráulico en Vertedero Tipo Creager
E lementos del resalto hidráulico: y1: tirante conjugado menor y2: tirante conjugado mayor E 1: energía antes del resalto E 2: energía después del resalto y2- y1: altura del resalto L: longitud del resalto E 1- E 2: perdida de energía del resalto
F ig 5.7 E lementos del Resalto Hidráulico
F unción del Resalto: S.Santos H.
Cap 5 - FRV
Disipador de energía: previene
o confina la socavación aguas abajo de las estructuras hidráulicas donde es necesario disipar energía. Existe alta turbulencia en el resalto: que se puede aprovechar para mezclar eficientemente fluidos o sustancias químicas como el que se usa en la purificación del agua. aireador
E CUACIÓN GE NER AL DEL R E SALTO Debido a la gran variación de la velocidad media entre los dos extremos del resalto y de que no se conoce la perdida de energía asociada con el resalto hidráulico, se aplica la Ec. del Momentum y la Ec. de continuidad para analizarlo, se ha comprobado que da buenos resultados en la práctica.
F ig 5.8 Análisis de Resalto H idráulico Considerando: Canal Horizontal Sección transversal constante Perdida de carga por fricción h f 0 (debido a la poca longitud del resalto) Distribución de velocidades en (1) y (2) uniforme 1 = 2 = 1 Aplicando la ecuación del Momentum entre las secciones (1) y (2):
Fx Q V 2 V 1 ,
Ordenando:
Q
yCG1 A1 yCG 2 A2 Q
A2
2 A A 2 1 yCG 2 A2 yCG1 A1 g A2 A1 Q
Q2 gA1
yCG1 A1
Q2 gA2
0
yCG 2 A2
Q
A1 (5.1)
cte.
la ec. (b) es constante y toma el nombre de Fuerza específica: M 2 Q M yCG A gA
5.3 Ecuación del Resalto Hidráulico A. SALTO HI DRAULI CO EN UNA SE CCI ON RECTANGULAR S.Santos H.
Cap 5 - FRV
A = by
y CG
y
y
2
reemplazando A e yCG , en la ec. 5.1:
b y2
y1 2
2
1 8 F 1
1
(5.2) Ecuación para determinar el tirante conjugado mayor conociendo el valor del tirante conjugado menor. y 2 para calcular el tirante conjugado menor: (5.3) y1 2 1 8F 2 1 2
B. SALTO HI DRAULI CO EN UNA SE CCI ON TRAPE ZOI DAL
Fig 5.9 Resalto en sección Trapezoidal
Se aplica la ec. (5.1) y CG 2 A2 y CG1 A1
2 Q A2 A1
y
0 g A2 A1
z
1
teniendo en cuenta que las áreas correspondientes a los tirantes conjugados mayor y que el centro de gravedad de un trapezoide está dado por:
A1
by1
A2
by 2
zy1
y CG1
2
zy 2
1 1 by y A 3 6 1 1 by y A 3 6 1
Para calcular y1 teniendo como dato y 2: y1 V 22 b J t r 2 gy 2 y 2 zy 2 Para calcular y2 teniendo como dato y 1: y 2 V 12 b J t r 2 gy1 y1 zy1 Estos valores se reemplazan en la ec. (5.4) para obtener los tirantes respectivos
5.4 Longitud del Resalto Hidráulico La longitud del Resalto (L), se define como la distancia media entre la sección de inicio y la sección inmediatamente aguas abajo en que termina la zona turbulenta. No se ha determinado teóricamente debido a la inestabilidad general del fenómeno y la dificultad en definir las secciones de inicio y fin del resalto, pero han sido realizados varios experimentos hidráulicos que han dado como resultado: Canal Rectangular Schoklitsch L 5 a 6 y2 y1 para canales con baja pendiente
Ec 5.5
USBR (United States Bureau of Reclamation) Fig 5.10: Determinación de L para canal horizontal (L vs. F 1 ). Los resultados se pueden aproximar también a canales trapezoidales.
F 1 F ig 5.10 Longitud de Resalto Hidráulico – USBR Canal Trapezoidal
S.Santos H.
Cap 5 - FRV La longitud del resalto es mayor debido a la simetría que se produce por efecto de la distribución no uniforme de las velocidades.
Sieňchin L= A (y2 – y1 ) A depende del talud z del canal.
z A
Ec 5.6
0 0.5 0.75 1.0 1.25 1.5 5 7.9 9.2 10.6 12.6 15.0
5.5 Estabilidad del resalto Hidráulico (en canales casi planos) La estabilidad, se analiza de acuerdo a las energías especificas en E 2 En
2
y
n
:
yn
y2
2
n
F ig 5.11 Resalto barrido El resalto continúa hasta que pierde energía y se equipara con E n.
E 2=E n : Resalto se produce al pie de la estructura y no necesita disipar más energía ya que son iguales.
2
n
F ig 5.12 Resalto Claro
E 2 En : La altura de presión en (n) será mayor que la energía remanente en (2), se producirá entonces una onda hacia aguas arriba hasta que “ahogue” el re salto.
S.Santos H.
Cap 5 - FRV
yn
y2
2
F ig 5.13 Resalto Ahogado
Resalto Ahogado
F ig 5.14 Resalto Libre y Resalto Ahogado
PRACTI CA DI RI GI DA # 5
RESALTO HIDRAULICO
S.Santos H.
n
Cap 5 - FRV 1. En un río de 25m de ancho y de sección rectangular transporta 80 m 3 /s. Se ha construido un Barraje transversal de 2.2m. de alt ura del mismo ancho del río, el agua fluye sobre este Barraje y disipa su energía en un colchón disipador. Determinar: a) El tirante (y1 ) con que llega el flujo al colchón disipador, considerando como V 12 pérdida de carga por fricción sobre el vertedero: h f 0.1 2 g b) los tirantes conjugados del resalto hidráulico c) longitud L de colchón disipador donde el agua disipa su energía y que deberá ser revestido con concreto para evitar la erosión del lecho. d) Si el cauce natural del río tiene n = 0.034 y S o = 0.004, decir en qué régimen se encuentra este flujo y realizar análisis de estabilidad de resalto al final del colchón disipador.
1.2m
2.2m 1.80 y1y1 m
L 2. Por un canal de baja pendiente y de sección trapezoidal, con 0.60m. de ancho de fondo y talud z=0.25, pasa 1.2 m 3 /s en régimen supercrítico con 0.30m de tirante. Calcular: a. El valor del tirante conjugado mayor si se formara un resalto hidráulico b. el número de Froude del tirante conjugado mayor c. la longitud del resalto hidráulico d. la pérdida de energía al finalizar el resalto hidráulico.
