Contenido RESALTO HIDRÁULICO ................................................ .................................................................................................... ....................................................... ... 2 INTRODUCCIÓN ................................................................................................ .................... 2 .............................................................................................................................. ............................. 3 OBJETIVOS ................................................................................................. ....................................................................................................... ....................................................... ... 3 OBJETIVO GENERAL ................................................... ...................................................................................................... .............................................. 3 OBJETIVO ESPECIFICO ........................................................ GENERACIÓN DEL RESALTO HIDRÁULICO ................................................................... 4 TIPOS DE RESALTO HIDRÁULICO .................................................................................... ................................................................................. ... 5 CARACTERISTICAS DEL RESALTO HIDRAULICO ........................................................ .................. ...................................... 6 LONGITUD DEL RESALTO HIDRAULICO ........................................................................ 7 LAS APLICACIONES PRÁCTICAS DEL RESALTO HIDRÁULICO ................................ 8 CURVAS DE REMANSO ....................................................................................................... 9 CLASIFICACIÓN CLASIFICACIÓN Y NOMENCLATURA DE LAS CURVAS DE REMANSO. ........................... 9 CLASIFICACIÓN DE LAS CURVAS DE REMANSO ....................................................... 11 PROPIEDADES GENERALES DE LAS CURVAS DE REMANSO: ................................. 12 PROCEDIMIENTO PARA DETERMINAR EL TIPO DE CURVA DE REMANSO. R EMANSO. ........ 13 CONCLUSIONESY RECOMENDACIONES ...................................................................... .................................. .................................... 14
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RESALTO HIDRÁULICO
INTRODUCCIÓN Los saltos hidráulicos ocurren cuando hay un conflicto entre los controles que se encuentran aguas arriba y aguas abajo, los cuales influyen en la misma extensión del canal. Este puede producirse en cualquier canal, pero en la práctica los resaltos se obligan a formarse en canales de fondo horizontal, ya que el estudio de un resalto en un canal con pendiente es un problema complejo y difícil de analizar teóricamente. Este puede tener lugar ya sea, sobre la superficie libre de un flujo homogéneo o en una interface de densidad de un flujo estratificado y en cualquiera de estos casos el salto hidráulico va acompañado por una turbulencia importante y una disipación de energía. Cuando en un canal con flujo supercrítico se coloca un obstáculo que obligue a disminuir la velocidad del agua hasta un valor inferior a la velocidad crítica se genera una onda estacionaria de altura infinita a la que se denomina resalto hidráulico, la velocidad del aguase reduce de un valor V 1 > C a V 2 < C, la profundidad del flujo aumenta de un valor bajo Y 1 denominado inicial a un valor Y 2 alto denominado recuente.El resalto hidráulico se define como el fenómeno físico que se produce un canal pasa de un es cuando un flujo pasa de supercrítico a subcritico, manifestándose una elevación brusca en la superficie del agua. Entre las dos profundidades se visualiza algún grado de turbulencia (salto) lo que indica que cierta parte de la energía se está disipando.
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OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL
Estudiar, a través del experimento, el comportamiento de un resalto hidráulico en un canal rectangular de pendiente trabajados en el T.P.S
OBJETIVO ESPECIFICO
Observar los diferentes tipos de resalto que se forman en la práctica en un canal horizontal. Verificar la validez de las ecuaciones que describen el comportamiento del flujo aplicando los principios de energía y momento
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GENERACIÓN DEL RESALTO HIDRÁULICO El resalto hidráulico 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 fenómeno presenta un estado de fuerzas en equilibrio, en el que tiene lugar un cambio violento del régimen de flujo, de supercrítico a subcrítico. Consideremos el siguiente esquema:
Fig. (Resalto hidráulico) Las profundidades Y1 y Y2, se llaman profundidades conjugadas o secuentes, y tienen la particularidad que la función Momento ( M ) es la misma para ambas profundidades, mientras que existe una variación de la energía específica, debida a la pérdida de energía producida por el resalto.
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TIPOS DE RESALTO HIDRÁULICO El Bureau of Reclamation investigó diferentes tipos de resalto hidráulico en canales horizontales, cuya base de clasificación es el número de Froude, a saber:
TIPOS DE RESALTOS Flujo crítico Resalto hidráulico ondulado Resalto hidráulico débil Resalto hidráulico oscilante Resalto hidráulico estable Resalto hidráulico fuerte
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NUMERO FROUDE 1 1 -1.7 1.7 - 2.5 2.5 - 4.5 4.5 – 9 >9
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CARACTERISTICAS DEL RESALTO HIDRAULICO
Las características del resalto hidráulico 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 límites permitidos por los materiales que componen el perímetro mojado. El lugar geométrico en el que se presenta el resalto se denomina colchón hidráulico. Se han investigado diferentes formas de colchones hidráulicos con el objeto de lograr una mejor disipación de energía en una menor longitud. Para el diseño de colchones hidráulicos se consideran los siguientes aspectos. Pérdida de energía. En el resalto hidráulico la pérdida de energía es igual a la diferencia de las energías específicas antes y después del resalto
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Eficiencia. Es la relación entre la energía específica antes y después del resalto, es una función adimensional y depende sólo del número de Fraude del flujo de aproximación.
Altura del resalto. Es la diferencia entre las profundidades antes y después del resalto.
LONGITUD DEL RESALTO HIDRAULICO
Un parámetro importante en el diseño de obras hidráulicas es la longitud del resalto, que definirá la necesidad de incorporar obras complementarias para reducir esta longitud y/o aplicar medidas de protección de la superficie para incrementar su resistencia a las tensiones de corte.
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Figura: Relación adimensional para la longitud del resalto hidráulico (Bureau of reclamation) LAS APLICACIONES PRÁCTICAS DEL RESALTO HIDRÁULICO
Disipar la energía del agua que fluye sobre presas, vertederos y otras estructuras hidráulicas, y prevenir de esta manera la socavación aguas debajo de las estructuras. 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 irrigación o de cualquier estructura para distribución de aguas. Incrementar el peso sobre la zona de aguas debajo de una estructura de mampostería y reducir la presión hacia arriba bajo dicha estructura aumentando la profundidad del agua en su zona de aguas abajo. Aumentar el caudal por debajo de una compuerta deslizante manteniendo alejada la profundidad de aguas abajo, debido a que la altura efectiva se reducirá si la profundidad de aguas abajo ahoga el resalto.
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CURVAS DE REMANSO Se conoce como curvas de remanso o ejes hidráulicos, a los perfiles longitudinales que adquiere la superficie libre del líquido en un canal cuando se efectúa un escurrimiento bajo las condiciones de flujo gradualmente variado la geometría de las curvas de remanso obedece a diferentes causas como las condiciones de pendiente del fondo y tirante real. Geométricamente el perfil de la superficie libre está definido por los tirantes reales que se tengan a lo largo del escurrimiento. Acudiendo a la ecuación Ec. 5.13 y basándose en observaciones empíricas se ha logrado obtener los diferentes tipos de curvas, cuya forma depende de las condiciones de tirantes y pendientes que se tengan en cada caso.
CLASIFICACIÓN Y NOMENCLATURA DE LAS CURVAS DE REMANSO. TIPOS DE PENDIENTES DE FONDO (S O ) TIPO Pendiente Suave “M”
RELACION TIRANTES yn>yc
Pendiente critica “C”
yn = yc
SO = S C
Pendiente fuerte “S”
yn < yc
SO > SC
Pendiente horizontal “H”
Yn =
Pendiente adversa “A”
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∞
yn no existe
DE PENDIEN TE SO
S=0 So < 0
CARACTERISTICAS Flujo Subcritico, (río) Flujo critico Flujo supercrítico torrentes Si
Q A
i
0 A
Q
1
n
1/ 2
AR
yn
1/ 2
S O
ZONAS DE GENERACIÓN DE LAS CURVAS DE REMANSO Tomando en consideración la clasificación realizada por Bakmeteff, de las curvas de remanso basada en el tipo d pendiente y las zonas de generación del perfil, se tienen las curvas M1, M2, M3, C1, …… A 2, A3, las mismas que se muestran en el Cuadro: ZONA TIRANTE
TIRANTE
1
Y >Yn > Yc
Y > Yc > Yn
2
Yn >Y > Yc
3
Yc >Yn > Y
Yc >Y > Yn
Yn >Yc > Y
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GRAFICO
CLASIFICACIÓN DE LAS CURVAS DE REMANSO De acuerdo a los tipos de pendientes, se sabe que el tirante normal en las curvas H, es infinito, mientras que en las curvas A, no es real, por lo cual en ambos casos, no pueden existir ninguna curva de remanso en la zona 1, luego es imposible que existan las curvas H1 y A1; de otro lado, la C2, no es una curva propiamente dicha sino más bien una recta (flujo critico uniforme). De este análisis se desprende que de las 15 curvas de remanso aparentes que se pueden generar en realidad solo se tienen 12 curvas.
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PROPIEDADES GENERALES DE LAS CURVAS DE REMANSO:
Las siguientes propiedades son comunes a todas las curvas 1. Las curvas que tienen al tirante normal y n se acercan a ella asintótica mente. En efecto, en la (Ec. 5.10): dy
SO
S E
1 F 2
dx
Si y tiende a yn el valor de SE tiende a SO lo que hace que: Lim ( SO S E ) = 0 y yn
Y por lo cual: lim (dy/ dx) = 0 y y n
2. Las curvas que tienden al tirante critico y c; se acercan a ella, en este punto, en forma perpendicular a la línea del tirante critico yc lim (1 F 2 )
0
y yC lim ( dy(dx )
y yC
3. Cuando el tirante aumenta y tiende a ser muy grande las curvas tienden a ser tangentes a una horizontal lim S E
.n lim ( 2/3 ) 2 R
y y lim F 2
lim (
A. R
2/3
)2
0
y
Q.n
lim ( )2 gA / T
y y
lim (
Q.n
)2 gA / T 3
0
y
lim (dy/dx) = SO y Que corresponde a una línea horizontal que forma un ángulo θ (sen θ = S O) con el
fondo del canal esto significa que la superficie del agua es asintótica a la horizontal (curvas H2, A2)
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PROCEDIMIENTO PARA DETERMINAR EL TIPO DE CURVA DE REMANSO.
Este procedimiento permite predecir la forma general del perfil del flujo lo que constituye una parte muy significativa en todos los problemas de diseño de canal para un flujo gradualmente variado. Las pautas que se sigue son como se indica: 1. Dibujar el perfil longitudinal del canal distorsionando las escalas vertical y horizontal. Dado que un canal es una obra esencialmente lineal se deberá tener una escala vertical mucho mayor que la horizontal, para hacer apreciable las fluctuaciones de la curva de remanso o eje hidráulico. 2. En el perfil longitudinal marcar los cambios de pendiente y diferenciar los distintos tramos que se origina, tanto por cambios de pendiente como por cambios del tipo de material del fondo del canal. 3. Calcular yn y dibujar la línea de profundidad normal para cada tramo de acuerdo a los datos particulares en cada uno. Hay que tener presente que de acuerdo a la ecuación de Manning conjugada con la de continuidad: Q
A
5/3
1/ 2
.S
5/ 3
n. P
f ( y n )
A
5 2
P
(
Q.n 1/ 2
S
)2
4. Calcular yc y dibujar la línea de profundidad critica para las secciones transversales que se tengan. Recordar que de acuerdo a la ecuación general para el flujo critico: Q2 g
AC3 TC
f ( yC )
AC 3 TC
Q2 g
5. Definir y ubicar las posibles secciones de control que se presenten a lo largo de los tramos en estudio, entendiéndose como tales aquellas en que la altura de agua depende de consideraciones distintas a las del movimiento gradualmente variado (en el cual el tirante se calcula en función del caudal), y que determinan puntos conocidos del eje hidráulico, tanto en ubicación, como en valor del tirante real. 6. Establecer las condiciones de pendientes de fondo para cada tramo, comparando el tirante normal con el crítico. Con esto se obtiene la letra de la curva (M, C, S, H o A). 7. Establecer las condiciones de tirantes para cada tramo, comparando el tirante real con el normal y el crítico. Con esto se establece la zona de generación de la correspondiente curva de remanso, y por lo tanto el número de la curva (1, 2 ó 3)
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8. A partir de 6 y 7 se define el tipo de curva, con su marca y numero, para con esto determinar su geometría usando el Cuadro No 5.1. Definido la geometría del perfil.
CONCLUSIONESY RECOMENDACIONES
Al producirse un resalto hidráulico se produce una disminución de la velocidad y por consiguiente una disminución de la energía cinética. La variación de pendientes es un factor que produce el resalto hidráulico. Se puede decir que las construcciones hidráulicas de vertederos, compuertas, resaltos, están relacionados o se basan principalmente en la conservación de la energía, y su uso mayormente está destinado a la construcción de Bocatomas, Embalses, Presas, etc. A pesar de que el alcance de un diseño de ingeniería es específico al sitio, incluye un conjunto de conocimientos especializados técnicos. Es importante tener en cuenta que las transiciones deben considerarse las líneas de flujo para no provocar daños tanto en el desplazamiento del fluido como en la estructura misma.
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