IN ST ITU TO P OLITÉ CN IC O NAC ION A L ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECT URA
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1
UNIDAD 7 FLUJO RÁPIDAMENTE VARIADO
2
ÍNDICE
7.1 EL SALTO HIDRÁULICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
7.2 DIFERENTES TIPOS DE SALTO HIDRÁULICO . . . . . . . . . . . . . .4
7.3 GENERACION Y UTILIZACION DEL SALTO HIDRAULICO . . . . 5
7.4 CONDICIONES EN LAS QUE SE GENERA EL SALTO HIDRAULICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
7.5 DEDUCCIÓN DE LA FORMULA QUE DEFINE EL SALTO HIDRÁULICO Y ECUACIONES PARA TIRANTES CONJUGADOS, EN SECCIONES TRANSVERSALES RECTANGULARES Y TRAPECIALES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 EL SALTO HIDRÁULICO EN CANALES RECTANGULARES .!
7.6 CÁLCULO DE LA LONGITUD DEL SALTO HIDRÁULICO Y PRO"LEMAS RELATIVOS A ESTA UNIDAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . CONDICIONES PARA LA FORMACIÓN DEL SALTO HIDRÁULICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . #
BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3
7.1 EL SALTO HIDRÁULICO
El salto hidráulico consiste en una elevación brusca de la superficie líquida, cuando el escurrimiento permanente pasa del régimen supercrítico al régimen subcrítico. Es un fenómeno local mu !til para disipar energía hidráulica. "roduce una alteración rápida de la curvatura de las traectorias del flu#o, con vórtices $turbulencia% en el e#e hori&ontal, ocasionando velocidades en dirección opuesta al flu#o, choques entre partículas en forma caótica por tanto, una gran disipación de energía. 7.2 DIFERENTES TIPOS DE SALTO HIDRÁULICO
'os saltos en fondos hori&ontales, de acuerdo con el (.). *ureau of +eclamation, pueden clasificarse de acuerdo al n!mero de roude $1% del flu#o entrante1 1./- lu#o es crítico. 0o se forma salto. 1 1./ a 1.- ndulaciones en la superficie. curre el salto hidráulico ondulante. 1 1. a 2.4- +emolinos en la superficie. )alto débil 1 2.4 5 6.4- 7horro oscilante entrando al salto del fondo ala superficie una otra ve& sin periodicidad. 7ada oscilación produce una onda que puede via#ar por varios 8ilómetros causar da9os aguas aba#o en bancos de tierra márgenes. )alto oscilante. 1 6.4 5 :./- 'a e;tremidad aguas aba#o del remolino dela superficie el punto en el cual el chorro de alta velocidad tiende a de#ar el flu#o ocurre prácticamente en la misma sección vertical. 'a acción posición de este salto son menos sensibles a la variación en la profundidad aguas aba#o. )alto permanente. Está bien balanceado el rendimiento en la disipación de energía es el me#or, variando entre el 64 el /<.
6
1 :./ o maor- el chorro de alta velocidad choca con paquetes de agua intermitentes que corren hacia aba#o, generando ondas puede prevalecer una superficie áspera. )alto fuerte. )u efectividad para disipar la energía puede llegar al =4<. 7.3 GENERACION Y UTILIZACION DEL SALTO HIDRAULICO
>eneralmente el salto hidráulico se forma cuando en una corriente hidráulica e;iste alg!n obstáculo o un cambio brusco de corriente. Esto sucede al pie de las estructuras hidráulicas tales como vertedores de demasías, rápidas, salidas de compuertas con descarga por el fondo.
F$%. S&'() *$+-'$/) 01 1 /&1&'
El salto hidráulico va acompa9ado de una turbulencia importante una disipación de energía. En el campo de flu#os en canales abiertos, el salto hidráulico suele tener muchas aplicaciones, entre las que se incluen•
•
'a disipación de energía en flu#os sobre diques, vertedores otras estructuras hidráulicas. El mantenimiento de altos niveles de agua en canales que se utili&an para el propósito de distribución de agua.
4
•
•
•
•
•
•
?ncremento del gasto descargado por una compuerta desli&ante al recha&ar el retroceso del agua contra la compuerta, esto aumenta la carga efectiva con ella la descarga. 'a reducción de la elevada presión ba#o las estructuras mediante la elevación del tirante del agua sobre la guarnición de defensa de la estructura. 'a me&cla de sustancias químicas usadas para la purificación o el tratamiento de agua. 'a aerificación de flu#os el desclorinado en el tratamiento de agua. 'a remoción de bolsas de aire con flu#os de canales abiertos en canales circulares. 'a identificación de condiciones especiales de flu#o, como la e;istencia del flu#o supercrítico o la presencia de una sección de control para la medición de la ra&ón efectividad@costo del flu#o.
F$%. # G010&/$21 +0 010%3& & &($ +0' &'() *$+-'$/)
7.4 CONDICIONES EN LAS QUE SE GENERA EL SALTO HIDRAULICO
El salto hidráulico generalmente sucede al pie de estructuras hidráulicas, tales comoA
•
7imacios
•
7anales de descarga
•
7ompuertas
F$%. G010&/$21 +0' &'() *$+-'$/) 01 +$7001(0 0(/(& *$+-'$/&
'as principales características de un salto hidráulico son
•
+ompiente de velocidades altas
•
?ncremento de tirantes aguas aba#o
•
>ran turbulencia
•
Bireación
7.5 DEDUCCIÓN DE LA FORMULA QUE DEFINE EL SALTO HIDRÁULICO Y ECUACIONES ARA TIRANTES CON!UGADOS" EN SECCIONES TRANS#ERSALES RECTANGULARES Y TRAECIALES. El salto hidráulico es un fenómeno que se presenta e;clusivamente en canales, cuando un flu#o de agua que via#a a régimen supercrítico, choca o alcan&a a una masa de agua que flue en régimen subcríticoC presentándose abruptamente el cambio de régimen, acompa9ado de una gran turbulencia, disipando energía reali&ando una inclusión de aire en la masa líquida. "ara que el salto hidráulico realmente se produ&ca, es necesario que los dos tirantes con#ugados que lo acompa9an $menor maor%, sean diferentes del crítico.
=
F$%. 4 M)+0') %-7$/) +0' S&'() *$+-'$/)
Bdemás, el salto debe ser estable, con lo cual las fuer&as que lo acompa9an deben estar en equilibrio debe conservarse el momentum de una sección a otra $también conocida como D(E+B E)"E7F?7BG%. 'a función momentum depende !nicamente de la sección del canal, del tirante del gasto, por lo que, e;isten ecuaciones procedimientos específicos de solución al problema del salto hidráulico para cada tipo de sección de canal.
:
F$%. 5 G-7$/& +0 '& 0/&/$21 +0 M)01( ) +0 F09& E0/37$/&
'a e;presión empleada para calcular el momentum en cualquier sección i es2
Q Mi= + Z i Ai g Ai
"or lo general, en casi todos los problemas de salto hidráulico se conoce uno de los tirantes con#ugados es necesario calcular al otro. 7on fines de notación, en todas las e;presiones cálculos posteriores, será llamado d8 al tirante conocido d# al que será necesario calcular.
EL SALTO HIDRÁULICO EN CANALES RECTANGULARES
"or la condición de equilibrio de conservación, los momentos correspondientes a los tirantes con#ugados deberán ser iguales de acuerdo a la geometría tan simple de la sección, el cálculo se reduce a la aplicación directa de la siguiente e;presión1/
d j =
d k
[ √ 1+ 8 F −1 ] 2 2 1
'a longitud del salto hidráulico puede ser calculado con las siguientes e;presiones-
Bdemás, e;iste otro método propuesto por el ()*+$3%-
bviamente al e;istir el salto hidráulico un DremansoG aguas aba#o e;isten pérdidas de carga, las cuales pueden ser calculadas con la e;presión siguiente3
∑ p =
( d −d ) 2
1
4 d1 d2
11
"or otra parte, los saltos hidráulicos pueden ser clasificados en función de la DviolenciaD con la cual se desarrollan, atendiendo principalmente a la DmagnitudG del régimen hidráulico que se genera aguas arriba.
7.6 CÁLCULO DE LA LONGITUD DEL SALTO HIDRÁULICO Y ROBLEMAS RELATI#OS A ESTA UNIDAD El salto hidráulico es un fenómeno de la ciencia en el área de la hidráulica que es frecuentemente observado en canales abiertos como ríos rápidos. 7uando un fluido a altas velocidades descarga a &onas de menores velocidades, se presenta una ascensión abrupta en la superficie del fluido. Hste fluido es frenado bruscamente e incrementa la altura de su nivel, convirtiendo parte de la energía cinética inicial del flu#o en energía potencial, sufriendo una inevitable pérdida de energía en forma de calor. En un canal abierto, este fenómeno se manifiesta como el fluido con altas velocidades rápidamente frenando elevándose sobre él mismo, de manera similar a como se forma una onda@choque. 'as aplicaciones prácticas del salto hidráulico son muchas, entre las cuales se pueden mencionar•
"ara la disipación de la energía del agua escurriendo por los vertederos de las presas otras obras hidráulicas, evitar así la socavación aguas aba#o de la obraC 12
•
•
•
• •
"ara recuperar altura o levantar el nivel del agua sobre el lado aguas aba#o de un canal de medida así mantener alto el nivel del agua en un canal para riego u otros propósitos de distribución de aguaC "ara incrementar peso en la cuenca de disipación contrarrestar así el empu#e hacia arriba sobre la estructuraC "ara incrementar la descarga de una esclusa manteniendo atrás el nivel aguas aba#o, a que la altura será reducida si se permite que el nivel aguas aba#o ahogue el salto. 3 "ara me&clas químicas usadas para purificar el aguaC "ara aerear el agua para abastecimiento de agua a las ciudades.
CONDICIONES PARA LA FORMACIÓN DEL SALTO HIDRÁULICO CANALES RECTANGULARES HORIZONTALES
"ara un flu#o supercrítico en un canal hori&ontal rectangular, la energía del flu#o se disipa progresivamente a través de la resistencia causada por la fricción a lo largo de las paredes del fondo del canal, resultando una disminución de velocidad un aumento de la profundidad en la dirección del flu#o. (n salto hidráulico se formará en el canal si el n!mero de roude $% del flu#o, la profundidad$1% una profundidad aguas aba#o $2% satisfacen la ecuación y 1 y 2
1
= ( √ 1 + 8 F −1 ) 2
2 2
Esta ecuación se deduce de la conservación del momentum específico, a que en un resalto hidráulico solo se conserva el momentum específico, la energía específica por el contrario por ser un fenómeno mu turbulento se disipa energía por tanto la energía específica no se conserva.
13
CARACTERSTICAS !ÁSICAS DEL SALTO HIDRÁULICO
'as principales características de los saltos hidráulicos en canales rectangulares hori&ontales sonP:+$+& +0 010%3&
'a pérdida de energía en el salto es igual a la diferencia en energía específica6 antes después del salto. )e puede mostrar que la pérdida es3
ϑ E= E 1− E2=
( y − y ) 2
1
4 y 1 y 2
ϑ E
'a relación
se conoce como pérdida relativa.
E 1
E7$/$01/$&
'a relación de la energía específica después del salto a aquella antes del salto se define como eficiencia del salto. )e puede mostrar que la eficiencia del salto es2 2
2
( 8 F + 1 ) −4 F + 1 = E 8 F ( 2+ F ) E 1 2
3
1
1
2
2
1
1
Esta ecuación indica que la eficiencia de un salto es una función adimensional, dependiendo solamente del n!mero de roude del flu#o antes del salto.
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B$%&$'()*+,* •
•
•
S&'() H$+-'$/); N)(& && 0' /), D J&1 S&$9 H01-1+09, U1$<0$+&+ +0 S)1)&, #! http-IIJeb.uaeme;.m;IpestudIlicenciaturasIcivilIhidraulica2I"rácti ca<2/A<2/K??.pdf https-IIes.Ji8ipedia.orgIJi8iI)altoLhidráulico
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