RESALTO HIDRÁULICO CONCEPTO El resalto hidráulico es el fenómeno que se genera cuando una corriente supercrítica, es decir, rápida y poco profunda, cambia súbitamente a subcrítica, esto es, se vuelve una corriente lenta y profunda. Este fenómeno es de central importancia en la Hidráulica de Canales, por lo cual se trata aquí con suficiente amplitud.
CARACTERÍSTICAS Algunas de las características características del resalto hidráulico en canales rectangulares horizontales son:
Perdida de energía: en el resalto la perdida de la energía es igual a la diferencia de las energías especificas antes y después del resalto. Puede demostrarse que la perdida es ∆ = − = ( − )3/ ( ) ∆/: perdida relativa.
Eficiencia: la relación entre la energía especifica antes y después del resalto se define como la eficiencia del resalto. r esalto. Puede demostrarse que la eficiencia es
= ((8 − 1) − 4 + 1)8 )8 ( 2 + ))
F: número de Froude
Altura del resalto: la diferencia entre las profundidades antes y después del resalto es la altura del resalto (hj =Y2 – Y1) Al expresar cada termino como la relación con respecto a la energía especifica inicial ℎ = / − / ℎ: altura relativa.
= Y2/E1 – Y1/E1
Y1/ E1: profundidad inicial relativa. / : profundidad secuente relativa.
CONTROL El resalto hidráulico puede controlarse o afectarse por medio de obstáculos de diferentes diseños como vertederos de cresta delgada, de cresta ancha y subidas y descensos abruptos en el fondo del canal. La función del obstáculo es asegurar la formación del resalto y controlar su posición en todas las condiciones probables de operación. Varios experimentos han demostrado que las fuerzas que actúan sobre un obstáculo en un resalto disminuyen rápidamente hasta un mínimo a medida que el extremo de aguas abajo del resalto se mueve hacia aguas arriba hasta una posición encima del obstáculo. De ahí en adelante la fuerza se incrementa con lentitud hasta un valor constante a medida que el resalto se aleja más hacia aguas arriba. En teoría, el control del resalto hidráulico mediante obstáculos puede analizarse utilizando la teoría del momentum. Debido a la falta de conocimiento preciso sobre la distribución de velocidades, el análisis teórico no puede predecir el resultado cuantitativo con exactitud. El control de resaltos mediante obstáculos es útil si la profundidad de aguas abajo es menor que la profundidad secuente para un resalto normal, pero si la primera es mayor que la segunda debe utilizarse una caída en el piso del canal para asegurar un resalto. Por lo general esta condición ocurre a la salida de una expansión con flujo supercrítico.
GENERALIDADES Ecuación general para el resalto hidráulico. Supóngase el resalto hidráulico formado en un canal, como el que se muestra en la siguiente figura:
Ecuación general para las profundidades conjugadas de un R.H. en canales horizontales o de pendiente pequeña. Para canales horizontales o de pendiente pequeña ( 5º), sen tan 0 y cos2
1.
Si, además, en la ecuación (6.8) se desprecian las fuerzas de resistencia con el aire y con las fronteras sólidas de canal (Faire = Ff = 0), resulta: Es decir,
Las profundidades y1 y y2 que satisfacen las ecuaciones (6.9) y (6.10) se llaman profundidades conjugadas o secuentes del resalto hidráulico, y son las respectivas profundidades antes y después del resalto hidráulico. Véase la Figura 6.4.
Las ecuaciones anteriores son las ecuaciones generales para las profundidades conjugadas de un resalto hidráulico en canales horizontales o de pendiente pequeña.
Altura de un resalto hidráulico, hRH. Se define altura del resalto hidráulico a la diferencia entre las profundidades conjugadas y2 y y1, Véase la Figura 6.4.
Tipos de resalto hidráulico. Los resaltos hidráulicos pueden ser de varios tipos, y suelen clasificarse en atención a su ubicación respecto de su posición normal y al número de Froude F1.
Longitud del resalto hidráulico, LRH. La longitud del R.H. se define como la distancia comprendida entre la sección inmediatamente aguas arriba del resalto, fácilmente determinable, y aquella sección de aguas abajo, en la cual se dejan de observar los rollos de agua en la superficie libre. Véase la Figura 6.4. Esta última sección no es fácilmente apreciable, por lo que es esencial un buen
criterio, basado en la experiencia, para determinar la longitud de un resalto hidráulico.
Energía disipada en un resalto hidráulico, E. Como quiera que en un resalto hidráulico se disipa parte de la energía específica que posee el flujo antes del fenómeno, se partirá de la siguiente ecuación (véase la Figura 6.4):
Eficiencia del resalto hidráulico, RH. Definiendo la eficiencia del R.H. como:
Altura relativa del resalto hidráulico en canales rectangulares. Es el cociente entre la altura del R.H. y la energía específica del flujo, inmediatamente aguas arriba de éste, y se expresa como:
Eficiencia de conversión de energía en un resalto hidráulico, en un canal rectangular horizontal. En un R.H. se presenta un cambio de energía cinética en energía potencial, cuya eficiencia de conversión se expresa como:
APLICACIONES En el campo del flujo en canales abiertos el salto hidráulico suele tener muchas aplicaciones entre las que están:
La disipación de energía en flujos sobre diques, vertederos, presas y otras estructuras hidráulicas y prevenir de esta manera la socavación aguas debajo de las estructuras.
El mantenimiento de altos niveles de aguas en canales que se utilizan para propósitos de distribución de agua.
Incrementos del gasto descargado por una compuerta deslizante al rechazar el retroceso del agua contra la compuerta, esto aumenta la carga efectiva y con ella la descarga.
La reducción de la elevada presión bajo las estructuras mediante la elevación del tirante del agua sobre la guarnición de defensa de la estructura.
La mezcla de sustancias químicas usadas para la purificación o tratamiento de agua.
La aireación de flujos y el desclorinado en el tratamiento de agua.
La remoción de bolsas de aire con flujo de canales abiertos en canales circulares.
La identificación de condiciones especiales de flujo con el fin de medir la razón efectividad-costo del flujo.
Recuperar altura o aumentar el nivel del agua en el lado de aguas debajo de una canaleta de medición y mantener un nivel alt o del agua en el canal de irrigación o de cualquier estructura para distribución de aguas.
