informe Resalto Hidráulico.docx

Universidad Nacional Experimental Del Táchira Vicerrectorado Académico Decanato de Docencia Departamento de Ingeniería Civil Laoratorio de !ecánica de "l#idos II

Informe: Tema 3. Resalto Hidráulico

Integrantes: Useche Emerson C$I$V%&'$()*$+&, C$I$V%&'$()*$+&, U-categ#i .#l/ .#l/ C$I$V%&0$'1*$&02 C$I$V%&0$'1*$&02 3ecci4n5 ')

Índice

Introducción........................................................................................................ 2 Resalto Hidráulico:........................................................................................... 3  Tipos de resalto hidráulico............................................................................... 6 Longitud del resalto hidráulico......................................................................... 7 Aplicaciones del resalto hidráulico:.................................................................. 8 rocedi!iento e"peri!ental propuesto:.......................................................... # $onclusiones.....................................................................................................%% Reco!endaciones.............................................................................................%2 &i'liogra()a........................................................................................................ %3 Ane"os.............................................................................................................. %*

Introducción

 Act#almente son m#chas las aplicaciones del resalto hidrá#lico en la ingeniería civil6 e7emplo de ello6 son s#s #sos en ac#ed#ctos6 aliviaderos6 alcantarillas6 vertederos6 -an7as de drena7e6 pero tamién en la nat#rale-a se p#ede oservar esta tipo de 8en4menos6 como lo son los arro/os o ríos6 con s#s saltos de ag#a$ La importancia del resalto hidrá#lico se asa en 9#e es #n destr#ctor de energía 9#e permite así red#cir la velocidad de la corriente / evitar  posiles da:os$ En el presente in8orme se aorda de #na manera sencilla6 los aspectos generales en el est#dio de #n resalto hidrá#lico6 como lo es la ded#cci4n de las ec#aciones 9#e lo de8inen6 la determinaci4n de s#s características / tipo$ Así como s#s aplicaciones en la ingeniería / el procedimiento experimental más #sado en los laoratorios$

Resalto Hidráulico: El resalto hidrá#lico es el ascenso r#sco del nivel del ag#a 9#e se presenta en #n canal aierto a consec#encia del retardo 9#e s#8re #na corriente de ag#a 9#e 8l#/e a elevada velocidad / pasa a #na -ona de a7a velocidad$ Este 8en4meno presenta #n estado de 8#er-as en e9#ilirio6 en el 9#e tiene l#gar #n camio violento del régimen de 8l#7o6 de s#percrítico a s#crítico$

"ig#ra )$ Vol#men de control en el resalto hidrá#lico6 8#er-as hidrostáticas ;"h< / 8#er-as dinámicas ;"d<$

En la secci4n )6 act=an las 8#er-as hidrostática F1h / dinámica F1d > en 8orma similar pero en sentido contrario en la secci4n &6 F2h / F2d $ En amas secciones la s#matoria de 8#er-as da como res#ltado F1 / F2 respectivamente$ En el estado de e9#ilirio6 amas 8#er-as tienen la misma magnit#d pero direcci4n contraria ;la 8#er-a F1h es menor a F2h6 inversamente F1d es ma/or a F2d <$ Deido a la posici4n de las 8#er-as res#ltantes6 amas están espaciadas #na distancia d6 lo c#al genera #n par de 8#er-as de la misma magnit#d pero de sentido contrario$ En ra-4n a la condici4n de lí9#ido6 las partíc#las 9#e lo componen ad9#irirán la tendencia de 8l#ir en la direcci4n de las 8#er-as predominantes6 presentándose la me-cla del ag#a con líneas de 8l#7o s#per8iciales moviéndose en sentido contrario a la direcci4n de 8l#7o / de manera inversa en la -ona cercana a la solera$ El repentino enc#entro entre las masas de lí9#ido / el inevitale cho9#e entre partíc#las6 provocan la generaci4n de #n medio lí9#ido de

gran t#r#lencia 9#e da l#gar a la asorci4n de aire de la atm4s8era6 dando como res#ltado #n medio me-cla ag#a%aire$  Anali-ando el vol#men de control contenido entre las secciones )%& se tiene 9#e la 8#er-a de momento por #nidad de longit#d6 para #n canal rectang#lar está dada por5  F 1 d − F 2d =

γ ∗q ∗( V 1−V 2) g

La anterior 8#er-a deerá estar en e9#ilirio con la 8#er-a hidrostática res#ltante5  F 1 h− F 2 h=

γ ∗Y 2 2

2

−

γ ∗Y 1

2

2

Ig#alando se tiene5 2

2

γ ∗(Y 2 −Y 1 ) γ ∗q ∗( V 1−V 2 )= g 2

Considerando la ec#aci4n de contin#idad por #nidad de ancho5 q =Y 1∗V 1= Y 2∗V 2

. eliminado γ   / reempla-ado q  en 8#nci4n de V   se otiene5 2

Y 1∗V 1 g

(

∗ V  −

2

1

Y 1 Y 2

)

1

2

2

∗V  = ∗( Y  −Y  ) 1

Y 1∗V 1 1 = ∗(Y 22−Y 12) 2 g

2

2

1

Y 2

2

+ Y  ∗Y  − 2

∗Y  ∗V 

2

1

1

2

1

g

=0

?es#ltando el tirante con7#gado ;ag#as aa7o del resalto<5 Y 2=

Y 2 Y 1

1 2

=

( √

1 2

Y  V  −Y 1 ± Y 1 + 8 1 1 g

(√

2

2

2

q −1 1+ 8 3 g∗Y 1

)

)

Con a/#da de la expresi4n del n=mero de "ro#de ;n=mero adimensional 9#e expresa la relaci4n entre las 8#er-as de inercia / de gravedad< se tiene 9#e5  F  R 1=

V 1

√ g∗Y 

1

3e llega a la expresi4n adimensional de tirantes con7#gados5 Y 2 Y 1

=

1

( √ 1 +8 F  2

−1 )

2

 R 1

En donde5 q : caudal unitario q=

Q . b

b : ancho del canal γ : peso especifico del fluido. g : aceleraciónde gravedad .

V : velocidad del flujo.

Y : profundidad del flujo .  F  R 1 : número de Froude

.

Las pro8#ndidades Y1 / Y2 6 se llaman pro8#ndidades con7#gadas o sec#entes6 / tienen la partic#laridad 9#e la 8#nci4n !omento ; M < es la misma para amas pro8#ndidades6 mientras 9#e existe #na variaci4n de la energía especí8ica6 deida a la pérdida de energía prod#cida por el resalto6 como se oserva en la "ig#ra &$

"ig#ra &$ ?esalto @idrá#lico / diagramas E vs Y / M vs Y 6 en canales de 8ondo hori-ontal$

"inalmente6 se tiene 9#e para #n canal rectang#lar5 2

2

2

q Y  q   =  +  ! " = + Y  2 gY  2 2 g Y 

D4nde5   

5 "#nci4n de momento6 por #nidad de ancho / por #nidad de peso especí8ico del 8l#ido$  "

5 Energía especí8ica6 por #nidad de ancho / #nidad de peso$

#"

 es la pérdida de energía por el resalto hidrá#lico$

Las características del resalto hidrá#lico han sido aprovechadas para red#cir las velocidades de 8l#7o en canales a valores 9#e permitan el esc#rrimiento sin ocasionar es8#er-os cortantes s#periores a los límites admisiles para los materiales 9#e componen el perímetro mo7ado$

Tipos de resalto hidráulico El #rea# o8 ?eclamation de los Estados Unidos investig4 di8erentes tipos de resalto hidrá#lico en canales hori-ontales6 c#/a ase de clasi8icaci4n es el n=mero de "ro#de en la secci4n de ag#as arria6 "ig#ra 0$ En la práctica se recomienda mantener el resalto hidrá#lico en la condici4n de resalto permanente o estale6 por c#anto se trata de #n resalto ien 8ormado / accesile en las condiciones de 8l#7o reales6 si ien la disipaci4n 9#e se logra no alcan-a los me7ores niveles$ En los casos de resaltos permanente / 8#erte6 las condiciones hidrá#licas ag#as aa7o son m#/ exigentes / di8íciles de c#mplir en la práctica de

la ingeniería$

"ig#ra 0$ Clasi8icaci4n de los resaltos hidrá#licos$

 Longitud del resalto hidráulico La longit#d del salto hidrá#lico es la longit#d medida en s# pro/ecci4n hori-ontal6 a partir del tirante inicial o con7#gado menor6 al tirante s#sec#ente o con7#gado ma/or$ Existen m#chas 84rm#las para calc#lar la longit#d del salto6 el c#adro sig#iente permite conocer la longit#d dependiendo de la 8orma de la secci4n transversal del canal5

Fr L/y2

1.7 4

2 4.35

2.5 4.85

3 5.28

3.5 5.55

4 5.8

5 6

6 6.1

8 6.12

10 6.12

Tala )$ Longit#d del salto hidrá#lico para canales de secci4n rectang#lar$

Bara secciones trapeciales6 de ac#erdo a la 84rm#la de 3ie:chi6 la longit#d de otiene a partir de la sig#iente ec#aci4n5  $= % (  ! 2− ! 1)

Donde A depende del tal#d del canal de ac#erdo al tala &$ Talud z A

0 5

0.5 7.9

0.75 9.2

1 10.6

1.25 12.6

1.5 15

Tala &$ Coe8iciente A en la 84rm#la 3ie:chi para la longit#d del salto en canales trape-oidales$

Con8orme a la energía del tirante con7#gado ma/or / la energía ag#as aa7o del salto6 este se clasi8ica en •

3alto hidrá#lico normal> se presenta c#ando5 E&  En

•

3alto hidrá#lico ahogado> se presenta c#ando5 E&  En

•

3alto hidrá#lico arrido> se presenta c#ando5 E&  En

3i el salto se arre6 es necesario dise:ar #na estr#ct#ra disipadora de energía6 /a sea #n estan9#e amortig#ador o ien #n escal4n hacia arria 9#e permita ig#alar energías entre la secci4n del tirante con7#gado ma/or / la energía del tirante normal ag#as aa7o del salto$

 Aplicaciones del resalto hidráulico: •

Disipaci4n de la energía del ag#a esc#rriendo por los vertederos de las presas / otras oras hidrá#licas6 / evitar así la socavaci4n ag#as aa7o de

•

la ora$ Elevaci4n del nivel del ag#a sore el lado ag#as aa7o de #n canal de medida / así mantener alto el nivel del ag#a en #n canal para riego # otros

•

prop4sitos de distri#ci4n de ag#a$ Incremento del peso en la c#enca de disipaci4n para contrarrestar el

•

emp#7e hacia arria sore la estr#ct#ra$ Incremento de la descarga de #na escl#sa manteniendo atrás el nivel ag#as aa7o6 /a 9#e la alt#ra se red#ce si se permite 9#e el nivel ag#as aa7o

•

ahog#e el salto$ Indicar condiciones del 8l#7o6 tales como la existencia del 8l#7o s#percrítico o de #na secci4n de control siempre 9#e se p#eda #icar #na estaci4n de

• • •

a8oro$ !e-clar 9#ímicos #sadas para p#ri8icar el ag#a$  Aireaci4n del ag#a para aastecimiento h#mano$ ?emover olsas de aire en las líneas de aastecimiento de ag#a / prevenir  el taponamiento por aire$

Procedimiento eperimental propuesto:

!ateriales " e#uipos: • • • •

anco ásico$ !4d#lo de vis#ali-aci4n de canales$ Limnímetro$ Broeta$

• • • •

alde$ Cron4metros$ ?egla$ Lireta de ap#ntes$

 $atos preliminares:

•

Determinar las características geométricas del canal$ Colocar la pendiente del canal en cero$  Arir la válv#la para permitir el 8l#7o en el canal$ Instalar correctamente el ostác#lo en el canal$ !anip#lar la comp#erta al 8inal del canal6 para 8ormar el resalto hidrá#lico

•

ag#as arria$ !edir la alt#ra de carga de ag#a sore el vertedero triang#lar6 locali-ado

•

ag#as aa7o del canal rectang#lar$ registrar los datos correspondientes a6 .)6 .& / L$

• • • •

  Procedimiento: •

Determinar el ca#dal a partir de la alt#ra de carga de ag#a medida en el vertedero$ Q

=

2,51

13,842 & 

.

•

Calc#lar la velocidad media del 8l#7o para cada ca#dal antes / desp#és del

•

resalto$ Calc#lar el tirante con7#gado ag#as aa7o ;.&< en 8#nci4n del .) medido /

•

comprara con la medida reali-ada en el laoratorio$ Calc#lar la perdida de la energía te4rica / experimental$ Calc#lar la e8iciencia te4rica / experimental$ Calc#lar la longit#d del resalto / comparar con la longit#d medida en el

•

experimento$ Determinar el n=mero de "ro#de / a partir de este clasi8icar el tipo de

• •

resalto 9#e se present4 / comparar con la clasi8icaci4n c#alitativa reali-ada •

d#rante la experiencia$ Bara di8erentes valores de .6 di#7ar las c#rvas de E vs . / ! vs . para el #ltimo ca#dal a8orado / #icar los valores correspondientes al resalto hidrá#lico$ ;Como las mostradas en la 8ig#ra &<$

%onclusiones

Desde el p#nto de vista práctico6 el resalto hidrá#lico es #n medio =til para disipar el exceso de energía en #n 8l#7o s#percrítico$ .a 9#e con s# #tili-aci4n es posile prevenir la erosi4n ag#as aa7o de vertedero de presas6 deido a 9#e red#ce rápidamente la velocidad del 8l#7o sore #n piso protegido hasta #n p#nto donde el 8l#7o pierde s# capacidad de socavar el lecho del canal nat#ral ag#as aa7o$ En estos casos se dee constr#ir #n c#enco de disipaci4n6 el c#al dee estar  rec#ierto para resistir la socavaci4n$ 3i no se #sará este tipo de dispositivos6 el 8l#7o saliente de las presas seg#iría en régimen s#percrítico / posilemente acaaría con toda in8raestr#ct#ra existente ag#as aa7o del mismo$ Los resaltos tamién me-clan 8l#idos de modo m#/ e8ectivo / tienen aplicaciones en tratamiento de ag#as / ag#as resid#ales$

Recomendaciones

•

 A8orar el modelo de monta7e experimental de ac#erdo al ca#dal empleado ;m0Fs<$ p#esto 9#e si no se reali-a6 se p#eden introd#cir 

•

errores en el cálc#lo$ Bara 9#e se realice #n resalto hidrá#lico6 es imprescindile la #tili-aci4n

•

de #na comp#erta plana$ Es m#/ importante 9#e los resaltos se sit=en en l#gares dise:ados especialmente ;c#encos de disipaci4n<> de otro modo en la solera del canal se 8ormarían socavones por la agitaci4n t#r#lenta$

&i'liograf(a

• •

•

ChoG6 V$ T6 @ID?HULICA DE CANALE3 AIE?T3$ !c JraG @ill6 )11+ 3treeter V$6 !ECHNICA DE "LUID3> !c JraG @ill6 1K Ed$ )111$ De "ran !$ Mhite$6 !ECHNICA DE "LUID3$ Editorial !c JraG @ill$ )11,$ Estrada J$ !an#al de @idrá#lica de Canales$ Laoratorio de @idrá#lica de Canales$ Disponile en5 http5FFGGG$8ing$#ach$mxFlicenciat#rasFICF&')0F'&F',F!an#alde@idra#li

•

cadeCanales$pd8  Vidal O$ EL RESALTO HIDRÁULICO. "ac#ltad de ná#tica de arcelona. Disponible en h!!p""###.en$v$les.%o&"%$"do%'&en!$%ion"%$!e(o)*"+2,&e%$ni%$,de, -l'idos,.h!&ldo#nlo$d/10Ael,)es$l!o,hid)$'li%o

Aneos

). !onta)e eperimental necesario para la práctica de resalto hidráulico

*. +tili,ación del resalto Hidráulico en el -ertedero de una Presa

3. %ompuerta plana en el -ertedero de una presa " resalto hidráulico formado

.

. Resalto Hidráulico en un %anal