GEOMETRÍA TÍPICA DE LOS CANALES Las formas que se utilizan con frecuencia en canales abiertos incluyen las circular circulares, es, rectangul rectangulares ares,, trapezoi trapezoidales dales y triangular triangulares. es. Las tablas tablas siguientes siguientes proporcionan proporcionan las fórmulas para calcular las características geométricas que son pertinentes a los cálculos de ujo en canales abiertos. La forma trapezoidal es popular por varias razones. s una forma e!ciente debido a que proporciona un área área de ujo ujo gran grande de en rela relaci ción ón con con el perí períme metr tro o moja mojado do.. Los Los lado lados s con con pendiente son adecuados para canales fabricados en la tierra debido a que las pendientes pueden !jarse a un ángulo al cual los materiales de construcción son estables.
Sección rectangular
Sección trapecial
Sección triangular
Sección circular
Sección parabólica
Sección rectangular con esuinas re!on!as
Sección triangular con "on!o re!on!o
CARACTERÍSTICAS #IDRODIN$MICAS DEL %L&'O EN LOS CANALES A(IERTOS
Las siguientes características se estudian en cursos previos de ingeniería "idráulica# sin embargo es de vital importancia en el estudio de los canales, debido a su mayor inuencia en los fenómenos ane$os que ocurren en este tipo de escurrimiento.
Isotacas n este tipo de conducción se presentan perdidas de energía por fricción, generadas por el roce que "ay entre el ujo y las paredes del conducto. n el caso de las tuberías las má$imas velocidades se encuentran el centro de la sección, esto debido a que es la parte más alejada de las paredes. n los conductos a super!cie libre, la parte más alejada de las paredes del conducto es la super!cie libre del agua. %ero esta es la interfaz entre el ujo y la presión atmosférica, por lo cual se genera fricción &aunque es muc"o menor'. l resultado de esto es que la velocidad má$ima se presenta a cierta distancia por debajo de la (. L. ). ) diferencia de lo que ocurre en los conductos a presión, en los conductos a super!cie libre la distribución de velocidades en la sección depende de varios factores, entre ellos* las proporciones geométricas y las forma de la sección, la cercanía de curvas situadas aguas arriba, los cambios en la forma de la sección de un tramo a otro, la presencia de estructuras, etc. Las siguientes !guras presentan la distribución de las curvas de igual velocidad o +sotacas, en algunos casos comunes.
)ortici!a! La orticidad es un movimiento de giro, generalmente peque-as, puede avanzar con el ujo y recorrer grandes distancias, mientras va actuando en contra de las paredes del canal, desprendiendo peque-as partículas sólidas y poniéndolas en suspensión, lo cual facilita el transporte de sedimentos. n el caso de corrientes naturales, la construcción de estructuras e$tra-as a la corriente &pilas o estribos de puentes' generan una gran producción de vórtices y por consecuencia un desequilibrio en la estabilidad de las partículas sólidas del fondo y las paredes del cauce, lo cual puede dar lugar a efectos de socavación, que en ocasiones desestabilizan las estructuras antes mencionadas.
Transporte !e se!i*entos
n los canales e$cavados de tierra se tiene la acción directa de la velocidad del ujo, que actan sobre las partículas sólidas con esfuerzos cortantes que tienden a desprenderlas, arrastrarlas y transportarlas, ya sea en forma de arrastre o por suspensión. l equilibrio entre las cantidades de sólido que entran en un tramo y las cantidades de sólidos que salen, determinan la estabilidad del transporte de los sedimentos. La falta de estabilidad de un canal puede producir grandes da-os en el mismo, tanto como por pérdida de material &socavación' como por acumulación del mismo &azolve'.
%L&'O EN CANALES A(IERTOS l ujo de canales abiertos tiene lugar cuando los líquidos uyen por la acción de la gravedad y solo están parcialmente envueltos por un contorno sólido. n el ujo de canales abiertos, el líquido que uye tiene super!cie libre y sobre él no acta otra presión que la debida a su propio peso y a la presión atmosférica. l ujo en canales abiertos también tiene lugar en la naturaleza, como en ríos, arroyos, etc., si bien en general, con secciones rectas del cauce irregulares. /e forma arti!cial, creadas por el "ombre, tiene lugar en los canales, acequias, y canales de desag0e. n la mayoría de los casos. Los canales tienen secciones rectas regulares y suelen ser rectangulares, triangulares o trapezoidales. 1ambién tienen lugar el ujo de canales abiertos en el caso de conductos cerrados, como tuberías de sección recta circular cuando el ujo no es a conducto lleno. n los sistemas de alcantarillado no tiene lugar, por lo general, el ujo a conducto lleno, y su dise-o se realiza como canal abierto.
Nu*ero !e "rou!e l nmero de 2eynolds y los términos laminar y turbulentos no bastan para caracterizar todas las clases de ujo en los canales abiertos. l mecanismo principal que sostiene ujo en un canal abierto es la fuerza de gravitación. %or ejemplo, la diferencia de altura entre dos embalses "ará que el agua uya a través de un canal que los conecta. l parámetro que representa este efecto gravitacional es el 3mero de 4roude, puede e$presarse de forma adimensional. ste es til en los cálculos del resalto "idráulico, en el dise-o de estructuras "idráulicas y en el dise-o de barcos.
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L 5 parámetro de longitud 6m7 v 5 parámetro de velocidad 6m8s7 g 5 aceleración de la gravedad 6m8s97
l ujo se clasi!ca como*
4r:;, 4lujo subcrítico o tranquilo, tiene una velocidad relativa baja y la profundidad es relativamente grande, prevalece la energía potencial.
4r=;, 4lujo crítico, es un estado teórico en corrientes naturales y representa el punto de transición entre los regímenes subcrítico y supercrítico. 4r>;, 4lujo supercrítico o rápido, tiene una velocidad relativamente alta y poca profundidad prevalece la energía cinética. %ropios de cauces de gran pendiente o ríos de monta-a.
ENERGIA EN CANALES A(IERTOS n "idráulica se sabe que la energía total del agua en metros5?ilogramos por ?ilogramos de cualquier línea de corriente que pasa a través de una sección de canal puede e$presarse como la altura total en pies de agua, que es igual a la suma de la elevación por encima del nivel de referencia, la altura de presión y la altura de velocidad.
Energ+a !e un ,u-o gra!ual*ente .aria!o en canales abiertos/
%or ejemplo, con respecto al plano de referencia, la altura @ de una sección A que contiene el punto ) en una línea de corriente del uido de un canal de pendiente alta, puede escribirse como*
/e acuerdo con el principio de conservación de energía, la altura de energía total en la sección ; localizada aguas arriba debe de ser igual a la altura de energía total en la sección B localizada aguas abajo más la pérdida de energía "f entre las dos secciones, ver !gura.
sta ecuación es aplicable a ujos paralelos o gradualmente variados. %ara un canal de pendiente peque-a, esta se convierte en
ENERGIA ESPECÍ%ICA La energía especí!ca en una sección de canal se de!ne como la energía de agua en cualquier sección de un canal medida con respecto al fondo de este.
C, para un canal de pendiente peque-a y =;, la ecuación se convierte en
La cual indica que la energía especí!ca es igual a la suma de la profundidad del agua más la altura de velocidad. %ara propósitos de simplicidad, el siguiente análisis se basará en un canal de pendiente peque-a.
suma de la altura de presión JyJ y la altura de velocidad B8Bg. en 1e <"oK &;G'.
Cur.a !e energ+a especi0ca
La curva muestra que, para una energía especí!ca determinada, e$isten dos posibles profundidades, la profundidad baja y; y la profundidad alta yB. La profundidad baja es al profundidad alterna de la profundidad alta, y viceversa. n el punto <, la energía especí!ca es mínima. %or consiguiente, en el estado crítico es claro que las dos profundidades alternas se convierten en una, la cual es conocida como profundidad crítica yc.
RESALTO #IDRA&LICO O SALTO #IDRA&LICO l resalto "idráulico 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 uye a elevada velocidad. ste fenómeno presenta un estado de fuerzas en equilibrio, en el que tiene lugar un cambio violento del régimen de ujo, de supercrítico a subcrítico. ste involucra una pérdida de energía relativamente grande mediante disipación en el cuerpo turbulento de agua dentro del resalto. n consecuencia,
el contenido de energía en el ujo después del resalto es apreciablemente menor que el de antes del mismo.
La profundidad antes del resalto es siempre menor que la profundidad después del resalto. La profundidad antes del resalto se conoce como profundidad inicial y;, y después del resalto se conoce como profundidad !nal yB. %ara ujo supercrítico en un canal "orizontal, la energía de ujo se disipa a través de la resistencia a la fuerza de fricción a lo largo del canal, dando como resultado un descenso en la velocidad y un incremento en la profundidad en la dirección del ujo. l resalto "idráulico se formará en el canal si el nmero de 4roude 4; del ujo, la %rofundidad de ujo y; y la profundidad yB aguas abajo satisfacen la ecuación de razón de profundidades*
l nmero de 4roude siempre es mayor que la unidad antes del resalto y menor que la unidad después de él.
(i 4; > ; 4lujo (upercrítico
(i 4B :>
