I.
PRESENTACION:
El presente trabajo que lleva por título ``Análisis de Flujo en Canales Abiertos``, trata de proporcionar los principios fundamentales de la física en el análisis de flujo en canales canales y algunas otras consideraciones prácticas, en contraste con el aspecto técnico de ingeniería. El flujo de agua en un conducto puede ser: flujo en un canal abierto o flujo en tubería. Estas dos clases de flujos son similares pero diferentes en muchos aspectos, el flujo en un canal abierto debe tener una superficie libre y fluir por acción de la gravedad, en tanto que el flujo en tubería no la tiene, debido a que en este caso el agua debe llenar completamente el conducto. Las condiciones de flujo en canales abiertos se complican por el hecho de que la composición de la superficie libre puede cambiar con el tiempo y con el espacio; asimismo la profundidad de flujo el caudal, las pendientes del canal y la superficie libre son interdependientes. Analizaremos las ventajas y desventajas que ofrecen las formas geométricas de los canales, en el transporte de agua, por otro lado veremos las fuerzas que se generan cuando el fluido interactúa con las paredes del canal. Finalmente se evaluara los impactos ambientales que genera genera la construcción de un canal abierto. Como dato adicional se incorpora un Software preparada especialmente para este tema en mención, aplicado a la ingeniería.
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II.
INTRODUCCIÓN
Entre todos los recursos naturales, el más importante para el bienestar de la humanidad es el agua. Durante milenios constituyo un patrimonio enteramente disponible del que los habitantes de la Tierra se beneficien con este recurso adecuadamente. Con el progreso surgieron los agrupamientos urbanos, cuyas múltiples actividades cada día exigen mayor cantidad de agua. El abastecimiento para suplir esta necesidad, se vuelve en extremo complejo e implica factores técnicos, sociales, económicos, legales y políticos administrativos. En muchas ocasiones, el problema no se limita solamente al aprovisionamiento del agua para uso doméstico e industrial, sino que se extiende a la agricultura y a la ganadería. Para llevar a cabo lo mencionado debemos de abordar temas desde el punto de la física y complementarlo con aspectos técnicos de la ingeniería.
PROBLEMA: Debido a que el agua se encuentra en casi todas las actividades desarrolladas por el hombre, los recursos hídricos superficiales, que rodean el medio natural está escaseando por múltiples factores, de manera que éste recurso debe de ser aprovechado al máximo. Por ello se hace mención a su utilidad mediante un mecanismo de transporte desde su captación hasta su distribución respectiva, mediante un sistema de canales abiertos.
Qué desventaja genera el transporte de un determinado tipo de flujo en un canal abierto, debido a la erosión, a los sedimentos que transporta el agua y la intemperie. Debido a que mecanismos se puede identificar las fuerzas a los que está sometido la geometría de un canal.
OBJETIVOS:
Analizar los tipos de flujo que afectan a la hidráulica de los canales.
Estudiar la clasificación de los diversos canales canales y como afecta la forma geométrica de su construcción en la conducción conducción de los fluidos.
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III.
CONTENIDO :
FUNDAMENTO FÍSICO:
A. DINAMICA DE FLUIDOS: Definición: La dinámica de fluidos estudia los fluidos en movimiento y es una de las ramas más complejas de la mecánica. Aunque cada gota de fluido cumple con las leyes del movimiento de Newton las ecuaciones que describen el movimiento del fluido pueden ser extremadamente complejas. En muchos casos prácticos, sin embargo el comportamiento del fluido se puede representar por modelos ideales sencillos que permiten un análisis detallado.
Fluido Ideal: Es un fluido que es incompresible y que no tiene rozamiento interno o viscosidad. • La hipótesis de incompresibilidad es una suposición razonable para líquidos pero no para los
gases. Un gas puede tratarse como incompresible si su movimiento es tal que las diferencias de presión que aparecen no son demasiado grandes. • El rozamiento interno en un fluido da lugar a esfuerzos cortantes cuando dos capas adyacentes
se mueven la una sobre la otra o cuando el fluido se mueve por tubos o se encuentra a un obstáculo. En algunos casos estos esfuerzos son despreciables si se comparan con fuerzas gravitatorias o con las originadas por diferencias de presión
Línea de Flujo: La trayectoria descrita por un elemento de fluido en movimiento se llama línea de flujo. La velocidad del elemento varía en magnitud y dirección a lo largo de su línea de flujo. Si cada elemento que pasa por un punto dado sigue la misma m isma línea de flujo que los elementos precedentes se dice que el flujo es estable o estacionario. estacionario . Un flujo puede empezar no estacionario y hacerse estacionario con el tiempo. En un flujo estacionario la velocidad en cada punto del espacio permanece constante en el tiempo aunque la velocidad de la partícula puede cambiar al moverse de un punto a otro.
Línea de Corriente: Curva, cuya tangente en un punto cualquiera tiene la dirección de la velocidad del fluido en ese punto. En el régimen estacionario las líneas de corriente coinciden con las líneas de flujo. Si dibujamos todas las líneas de corriente que pasan por el contorno de un elemento del fluido de área S, estas líneas rodean un tubo denominado tubo de flujo o tubo de corriente.. En virtud de la definición de línea de corriente el fluido no puede atravesar las paredes corriente 3
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de un tubo de flujo y en régimen estacionario no puede haber mezcla de fluidos de dos tubos diferentes.
Flujo Laminar: Se llama flujo laminar al tipo de movimiento de un fluido cuando éste es perfectamente ordenado, estratificado (Capas), suave, de manera que el fluido se mueve en láminas paralelas sin entremezclarse. Las capas adyacentes del fluido se deslizan suavemente entre sí. El mecanismo de transporte es exclusivamente molecular. Se dice que este flujo es aerodinámico. Ocurre a velocidades relativamente bajas o viscosidades altas como veremos.
Flujo Turbulento: Se llama flujo turbulento cuando se hace más irregular, caótico e impredecible, las partículas se mueven desordenadamente y las trayectorias de las partículas se encuentran formando pequeños remolinos aperiódicos. Aparece a velocidades altas o cuando aparecen obstáculos abruptos en el movimiento del fluido.
Principio de Continuidad: En un tubo de corriente se cumple la ecuación de continuidad del movimiento en cualquier sección normal al tubo, siempre que la densidad sea constante, y dice que en cada sección “ A” del mismo, el producto de su superficie por la velocidad del fluido en su interior es constante:
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Ecuación de Bernoulli: Cuando un fluido incompresible se mueve a lo largo de un tubo de
⇒
flujo horizontal de sección transversal variable, su velocidad cambia aparece una aceleración y por lo tanto un fuerza responsable de esta aceleración. El origen de esta fuerza son las diferencias de presión alrededor del elemento concreto de fluido (Si P fuera la misma en todas partes, la fuerza neta sobre cada elemento de fluido sería nula) cuando la sección de tubo de flujo varía la presión debe variar a lo largo del tubo aunque no haya diferencia de altura a lo largo de todo el tubo. Si además hay esta diferencia de altura aparecerá una diferencia de presión adicional relacionada con esta variación. La Ec. de Bernoulli relaciona la diferencia de presión entre dos
⇒
puntos de un tubo de flujo con las variaciones variaciones de velocidad velocidad y con las variaciones de altura.
Viscosidad ( ): La viscosidad puede considerarse como el rozamiento interno de un fluido. La viscosidad puede ejercer fuerza para hacer que una capa líquida se deslice sobre otra. La viscosidad es mayor en líquidos que en gases. El problema del movimiento de un fluido viscoso es similar al del esfuerzo cortante y la deformación por cizalladura en un sólido. Dos placas paralelas entre las que hay un fluido con la placa inferior en reposo y la placa superior moviéndose con velocidad v el fluido en contacto con las placas se mueve con la misma velocidad que ellas. La velocidad de las capas intermedias aumenta uniformemente de una superficie a otra.
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La unidad de viscosidad es en el S.I.
( )
Caudal (Q): El Caudal o Gasto se define como el volumen de líquido o fluido que pasa por la sección transversal de una corriente en la unidad de tiempo.
∫
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Número de Reynolds (N R): Cuando la velocidad de un fluido que se mueve en un tubo sobrepasa un determinado valor crítico (que depende del fluido y del diámetro del tubo) la naturaleza del flujo se hace muy compleja: En la capa cerca de las paredes del tubo, capa límite, el flujo sigue siendo laminar , de hecho la velocidad del flujo en la capa límite es cero en las paredes y aumenta hacia el centro del tubo. Más allá de la capa límite, el movimiento es muy irregular, originándose corrientes circulares locales aleatorias denominadas vórtices que producen un aumento de la resistencia al movimiento. En estas circunstancias el régimen de flujo se llama turbulento. Los experimentos muestran que el que régimen de flujo sea laminar o turbulento depende de la combinación de cuatro factores que se conoce como Número de Reynolds
•
•
Dónde:
- ρ es la densidad del fluido, - v su velocidad media η la viscosidad D el diámetro del tubo. El número de Reynolds es una cantidad sin dimensiones y tiene el mismo valor numérico en cualquier sistema coherente de unidades. Diversos experimentos han demostrado que para: NR ≤ 2000 el régimen es laminar - NR ≥ 3000 el régimen es turbulento. - En la zona entre 2000< NR < 3000 el régimen régimen es inestable y puede cambiar cambiar de laminar a turbulento o viceversa.
B. COMPORTAMIENTO DE LOS FLUIDOS EN CANALES ABIERTOS: El transporte de agua desde un punto de captación hasta su distribución, se realiza por medio de tuberías a presión o sistemas de canales abiertos. El flujo en canal abierto debe tener una superficie libre, a diferencia del flujo en tubería, que está confinado en un conducto. Tuberías El flujo es causado por la presión, por tanto, tendrá lugar sin importar la alineación que tenga el conducto La sección transversal del conducto es constante a lo largo de la tubería y está definida por el diámetro. La presión de la tubería puede tener cualquier magnitud específicamente en cualquier punto alrededor del perímetro de la tubería.
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Canales abiertos El flujo es causado por la gravedad; por consiguiente el canal debe tener pendiente hacia abajo. La sección transversal del canal puede variar a lo largo del recorrido del flujo. El perímetro de la sección transversal consta de dos partes: superficie libre y perímetro mojado, donde el agua está en contacto con los límites del canal. La presión en la superficie libre es siempre cero (presión atmosférica). FISICA II (FS-241)
1. CARACTERISTICAS DEL FLUJO EN CANALES: El flujo de canales abiertos tiene lugar cuando los líquidos fluyen por la acción de la gravedad y solo están parcialmente envueltos por un contorno sólido, éste flujo puede variar sin ser constante. En el flujo de canales abiertos, el líquido que fluye tiene superficie libre y sobre él no actúa otra presión que la debida a su propio peso y a la presión atmosférica. El flujo en canales abiertos también tiene lugar en la naturaleza, como en ríos, arroyos, etc., si bien en general, con secciones rectas del cauce irregulares. De forma artificial, creadas por el hombre, tiene lugar en los canales, acequias, y canales de desagüe. En la mayoría de los casos. Los canales tienen secciones rectas regulares y suelen ser rectangulares, triangulares o trapezoidales. t rapezoidales. El coeficiente de rozamiento debido a la erosión y la socavación en un canal abierto se selecciona de acuerdo al tipo de flujo y otros criterios técnicos.
2. CLASIFICACION DE LOS TIPOS DE FLUJO: Para su clasificación se debe de tener en cuenta tres aspectos fundamentales:
Cumplir con la ecuación de continuidad
Flujo unidimensional
Considerar el flujo como incompresible
Para hacer la clasificación se considera la variación de la profundidad respecto al espacio y/o respecto al tiempo.
2.1. DE ACUERDO A LA VARIACION DE LA PROFUNDIDAD DE FUJO CON RESPECTO AL ESPACIO 2.1.1.
Flujo Uniforme: La profundidad del flujo no cambia durante el intervalo de tiempo bajo consideración, la línea de alturas totales, la línea de altura piezométricas y la solera del canal son todas paralelas, es decir, sus pendientes son iguales. iguales. El flujo uniforme es aquel que tomando como criterio el espacio, las características hidráulicas no cambian entre dos, es decir: (dv/dx) = 0
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2.1.2. Flujo no Uniforme: Es aquel en el cual las características hidráulicas cambian entre dos secciones, es decir: (dv/dx) ≠ 0 , La profundidad del flujo cambia durante el intervalo de tiempo bajo consideración, la línea de alturas totales, la línea de altura piezométricas y la solera del canal no son paralelas, es decir, sus pendientes son diferentes.
2.1.3. Flujo Permanente: Es aquel en el que tomando como criterio el tiempo, las características hidráulicas permanecen constantes es decir: (dv/dt) = 0 La característica principal de un flujo permanente y uniforme en canales abiertos es que la superficie del fluido es paralela a la pendiente del canal, la profundidad del canal es constante, cuando la pendiente final (Sf) es igual a la pendiente inicial (So) del canal. Estas condiciones se dan comúnmente en canales largos y rectos con una pendiente, sección transversal y un revestimiento de las superficies del canal homogéneo, caso tipito en regadíos.
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2.1.4. Flujo no Permanente: Permanente : Flujo en el cual las características hidráulicas cambian en el tiempo, es decir: (dv/dt) ≠ 0
2.1.5.
Flujo Rápidamente Variado: La principal característica del Flujo Rápidamente Variado (FRV) es que la curvatura de las líneas de corriente es pronunciada. En ocasiones el cambio en en la curvatura puede ser tan abrupto como para romper romper virtualmente el perfil de flujo, resultando en un estado de alta turbulencia y perfil de flujo discontinuo. El ejemplo más conocido de una situación como la descripta es el resalto hidráulico. El flujo variado se presenta cuando hay algún obstáculo como puede ser una compuerta presentándose así una variación de flujo en la profundidad.
2.1.6. 10
Flujo FISICA II (FS-241)
Gradualmente Variado: Flujo en el cual las características hidráulicas cambian de manera gradual con la longitud por tramos. El flujo gradualmente variado se caracteriza esencialmente porque es un régimen de flujo permanente o sea que las variables hidráulicas en cada sección del cauce permanecen invariables en el tiempo pero varían sección a sección, y porque las líneas de corriente se acepta que son casi paralelas.
2.1.7.
Flujo Crítico: Es un estado teórico de las corrientes naturales, representa el punto de transición entre los regímenes subcrítico y supercrítico. Se S e define cuando el efecto de la gravedad sobre el estado del flujo se representa por una relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas de gravedad. Esta relación es conocida como el Número de Froude.
Dónde: Fr
: Numero de Froude
V
: Velocidad (m/s)
V
: Longitud del tramo (m)
g
: Gravedad (m/s2)
2.1.8.
Si el Número de Froude es Froude es igual a la unidad (F = 1), el 1), el flujo se denomina crítico.
Flujo Subcritico: En el caso de flujo subcrítico, también denominado flujo lento o tranquilo, tiene una velocidad relativa baja y la profundidad es relativamente grande, prevalece la energía potencial. Corresponde a un régimen de llanura.
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Si el Número de Froude es Froude es menor a la unidad (F < 1), el 1), el flujo se denomina subcrítico subcrítico.. FISICA II (FS-241)
2.1.9.
Flujo Supercrítico: También denominado flujo veloz, tiene una velocidad relativamente alta y poca profundidad prevalece la energía cinética. Propios de cauces de gran pendiente o ríos de montaña.
2.1.10.
Si el Número de Froude es Froude es mayor a la unidad (F > 1), el flujo se denomina supercrítico supercrítico..
Flujo Laminar: El flujo es perfectamente ordenada de manera que el fluido se mueve en láminas paralelas, el fluido se mueve sin que haya mezcla significativa de partículas de fluido vecinas.
NR ≤ 2000 el régimen es laminar
2.1.11. Flujo Turbulento: Las partículas del fluido no se mueven siguiendo trayectorias definidas, la acción de de la viscosidad es despreciable. despreciable. Las partículas del fluido poseen energía de rotación apreciable, y se mueven en forma errática chocando unas con otras. Al entrar las partículas de fluido a capas de diferente velocidad, su momento momento lineal aumenta o disminuye, y el de las partículas vecina la hacen en forma contraria. NR≥ 3000 el régimen es turbulento.
2.1.12. Flujo sin Rozamiento en Canales: Estos flujos cumplen con el Teorema de Bernoulli, este caso, la ecuación de la energía para flujo estacionario sin rozamiento es:
Si las líneas de corriente son rectas y paralelas, la presión en cualquier punto depende de su profundidad (si el flujo fuese variado habría aceleración en la dirección perpendicular a las líneas de corriente, pues las líneas de corriente no serían paralelas); por tanto, se puede expresar:
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Siendo y la profundidad del canal, con lo que la ecuación de la energía se puede expresar como:
En la práctica nunca hay una distribución uniforme de velocidad debido al contorno. Como los contornos pueden ser muy raros, cada canal tiene su distribución de velocidades particular. La velocidad máxima ocurre en un punto ligeramente por debajo de la superficie libre. 2.1.13. Flujo con Rozamiento en Canales: Ahora se va a considerar el efecto del rozamiento en un canal, debido al contacto entre el flujo de partículas y la sección del canal.
En una tubería la caída de presión contrarresta a la fuerza de rozamiento para mantener el caudal.
En un canal, una suave pendiente en el fondo del mismo da una componente de la fuerza gravitatoria en el sentido del flujo que contrarresta el rozamiento.
FUERZAS QUE ACTÚAN SOBRE UN FLUIDO:
3.
Las fuerzas que pueden intervenir en los problemas de mecánica mecánica de fluidos son:
Fuerza tractiva: Cuando el agua fluye en un canal, se desarrolla una fuerza que actúa en la dirección del flujo sobre el lecho del canal. Esta fuerza, la cual es simplemente el barrer del agua sobre el área con agua, es conocida como la fuerza tractiva. Por definición, la fuerza tractiva, también llamada fuerza cortante o de arrastre o tangencial, es la fuerza que actúa sobre las partículas que componen el perímetro del canal y es producida por el flujo del agua sobre estas partículas. En la práctica, la fuerza tractiva no es la fuerza sobre una partícula individual, sino la fuerza ejercida sobre un área perimetral del canal. La fuerza de viscosidad (nula en un fluido ideal).
La tensión superficial La fuerza de gravedad.
La fuerza causada por la diferencia de presiones.
4. ESTADOS DE FLUJO: El estado o comportamiento del flujo en un canal un canal abierto depende básicamente de los efectos de viscosidad de viscosidad y gravedad relativa a las fuerzas de inercia de inercia del flujo. del flujo. 13
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4.1.
Efecto de viscosidad: Dependiendo del efecto de la viscosidad relativa a la inercia, el flujo puede ser laminar, turbulento o de transición. El flujo es laminar En flujo laminar, las partículas del fluido parecen moverse en recorridos calmados definidos, o líneas de corriente, corriente, y las capas infinitésimamente delgadas del fluido parecen deslizarse sobre las capas adyacentes. El El flujo es turbulento En el flujo turbulento, las partículas del fluido se mueven en recorridos irregulares, los cuales no son ni calmados ni determinados pero en su conjunto todavía representan el movimiento hacia adelante de la corriente total. Entre los estados laminar y turbulento de la corriente, hay un estado mixto o estado de transición.
El efecto de viscosidad relativo al de inercia puede representarse por el número de Reynolds. 4.2.
Efecto de la gravedad: El efecto de la gravedad sobre el estado del flujo se representa por una relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas de gravedad. Esta relación es conocida como el Número el Número de Froude. Si el Número de Froude es Froude es mayor a la unidad (F > 1), el 1), el flujo se denomina supercrítico. Si el Número de Froude es Froude es menor a la unidad (F < 1), el 1), el flujo se denomina subcrítico. Si el Número de Froude es Froude es igual a la unidad (F = 1), el 1), el flujo se denomina crítico.
5. DISTRIBUCION DE VELOCIDADES EN UNA SECCION DE CANAL Debido a la presencia de una superficie libre y a la fricción a lo largo de las paredes del canal, las velocidades en un canal no están uniformemente distribuidas en la sección transversal. La velocidad máxima medida en canales comunes, normalmente parece ocurrir debajo de la superficie libre del agua a una distancia de 0.05 a 0.25 de la profundidad y. La siguiente figura ilustra la configuración general de la distribución de velocidad en varias secciones de canales.
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La distribución de velocidades en una sección de canal depende también de otros factores, como una forma inusual de la sección, la rugosidad del canal y la presencia de curvas.
6.
DISTRIBUCION DE PRESION EN UNA SECCION DE CANAL:
La presión en cualquier punto de la sección transversal del flujo de un canal con pendiente baja puede medirse por medio de la altura de la columna de agua en un t ubo piezométrico instalado en un punto cualquiera. Al no considerar las pequeñas perturbaciones debidas a la turbulencia, es claro que el agua en esta columna debe subir desde el punto de medición hasta la línea de gradiente hidráulico o superficie libre. Entonces la presión en cualquier punto de la sección es directamente proporcional a la profundidad de flujo por debajo de la superficie libre e igual a la presión hidrostática correspondiente a esta profundidad, dicho de otra manera, la distribución de presiones a lo largo de la sección transversal de canal es igual a la distribución hidrostática de presiones, es decir la distribución es lineal y puede representarse mediante una recta, a continuación se muestras algunas figuras con distribución de presiones en canales.
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6.1.
Flujo paralelo :
6.2.
flujo convexo :
6.3.
flujo cóncavo :
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FUNDAMENTO TÉCNICO DE INGENIERÍA: 1. Canal: En ingeniería se denomina canal a una construcción destinada al transporte de fluidos, generalmente utilizada para agua- y que, a diferencia de las tuberías, es abierta a la atmosfera. También se utilizan como vías artificiales de navegación. La descripción del comportamiento hidráulico de los canales es una parte fundamental de la hidráulica y su diseño pertenece al campo de la ingeniería hidráulica, una de las especialidades especialidades de la ingeniería civil. 2. Clasificación de canales: Los canales naturales: Incluyen todos los cursos de agua de manera natural en la tierra, los los cuales cuales varían en tamaño desde desde pequeños arroyuelos en zonas montañosas, hasta quebradas, arroyos ríos pequeños y grandes, y estuarios de mareas. Las corrientes subterráneas que transporta agua con una superficie libre también son consideradas como canales abiertos naturales. Las propiedades hidráulicas de un canal natural por lo general son muy irregulares. Un estudio completo sobre comportamiento de canales naturales requiere el conocimiento de otros campos, como hidrología, geomorfología, transporte de sedimentos, etc. Éste constituye, de hecho, un tema de estudio por sí mismo, conocido como hidráulica fluvial
Los canales artificiales: Son aquellos construidos o desarrollados mediante el esfuerzo humano, como los canales de navegación, canales de centrales hidroeléctricas. Las propiedades hidráulicas de estos canales pueden ser controladas hasta un nivel deseado o diseñadas para cumplir unos requisitos determinados. La aplicación de las teorías hidráulicas a canales artificiales producirá, por tanto, resultados bastante similares a las condiciones reales y, por consiguiente, son razonablemente exactos para propósitos prácticos de diseño.
3. Canales de Riego por su función: Los canales de riego por sus diferentes funciones adoptan las siguientes denominaciones: Canal de primer orden: orden: Llamado también canal madre o de derivación y se le traza siempre con pendiente mínima, normalmente es usado por un solo lado ya que por el otro lado da con terrenos altos. Canal de segundo orden: orden: Llamados también laterales, son aquellos que salen del canal madre y el caudal que ingresa a ellos, es repartido hacia los sub - laterales, el área de riego que sirve un lateral se conoce como unidad de riego. Canal de tercer orden: Llamados orden: Llamados también sub - laterales y nacen de los canales laterales, el caudal que ingresa a ellos es repartido hacia las propiedades individuales a través de las tomas del solar, el área de riego que sirve un sub - lateral se conoce como unidad de rotación. De lo anterior se deduce que varias unidades de rotación constituyen una unidad de riego, y varias unidades de riego constituyen un sistema de riego, este sistema adopta el nombre o codificación del canal madre o de primer orden.
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4.
Diseño de Canales: En un proyecto de irrigación la parte que comprende el diseño de los canales y obras de arte, si bien es cierto que son de vital importancia en el costo de la obra, no es lo más importante puesto que el caudal, factor clave en el diseño y el más importante en un proyecto de riego, es un parámetro parámetro que se obtiene sobre la base del del tipo de suelo, cultivo, condiciones climáticas, métodos de riego, etc., es decir mediante la conjunción de la relación agua - suelo - planta y planta y la hidrología, de manera que cuando se trata de una planificación planificación de canales, el diseñador tendrá una una visión más amplia y será más más eficiente. 5. Parámetros Básicos de Diseño: Forma de la sección transversal: se escoge dependiendo del tipo de suelo, si el canal es revestido o no, del equipo constructivo, del uso del canal, de consideraciones ambientales y de la economía. Por ejemplo, en roca o concreto se pueden construir secciones transversales de cualquier forma, en tanto que los canales en suelos u otros materiales tienen forma usualmente trapezoidal. Los canales deben cubrirse en algunas ocasiones por diferentes razones, como por ejemplo, evitar contaminación del agua, para no obstaculizar el paso de un lado a otro, etc. Taludes laterales: están definidos principalmente por el suelo de excavación. En general, el ángulo que forma el talud lateral del canal con la horizontal debe ser menor que el ángulo de fricción interna del material. Coeficiente de rugosidad: depende del tipo de material y del acabado del revestimiento del canal. Coeficiente de permeabilidad: se determina para el suelo natural en que se excava el canal haciendo pruebas "in situ" o en laboratorio. Velocidad admisible del flujo: está limitada por la erosión y la sedimentación en el canal, lo cual puede resultar contradictorio en un diseño dado. Usualmente, se da más importancia en un diseño a la velocidad máxima no erosionable que a la mínima, pues con ella se logran diseños más económicos al tiempo que se garantiza la estabilidad de la estructura. Esta velocidad máxima no erosionable es la velocidad media más grande que no causa erosión al cuerpo del canal. Los canales revestidos en concreto admiten velocidades más altas dependiendo de si el funcionamiento es permanente (canales de conducción de agua) o esporádico (canales para evacuación de aguas de exceso), casos en que las velocidades máximas están del orden de 4.0 4 .0 m/s y de 15 m/s, respectivamente. Velocidad mínima: 0.6 m/s - 0.9 m/s para prevenir la sedimentación de partículas cuando la concentración de finos es pequeña. Borde libre: es la distancia vertical medida desde el nivel de diseño del agua hasta la parte superior de la estructura. Debe considerar el efecto de inexactitudes en la información disponible, imprecisiones en el diseño, oleaje, fluctuaciones del nivel del agua.
6. Elementos básicos en el diseño de canales : Se consideran algunos elementos topográficos, secciones, velocidades permisibles, entre otros: Trazo de canales: Cuando se trata de trazar un canal o un sistema de canales es necesario recolectar la siguiente información básica: Fotografías aéreas: Para localizar los poblados, caseríos, áreas de cultivo, vías de comunicación, etc.
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Estudios geológicos: Suelos y demás información que pueda conjugarse en el trazo de canales. Una vez obtenido los datos precisos, se procede a trabajar en gabinete: - Diseñando un trazo preliminar. - Replanteo en campo - Trazo definitivo. 7. Elementos geométricos de un canal:
Los elementos geométricos son propiedades de una sección del canal que puede ser definida enteramente por la geometría de la sección y la profundidad del flujo. Estos elementos son muy importantes para los cálculos del escurrimiento.
Dónde: : Tirante de agua, es la profundidad máxima del agua en el canal. : Ancho de solera, ancho de plantilla o plantilla, es al ancho de la base de un canal. : Espejo de agua es el ancho de la superficie libre de agua. : Ancho de corona. : Profundidad total del canal. : Borde libre. : Ángulo de inclinación de la pared lateral con la horizontal. Z
: Talud, es la relación de la proyección horizontal a la vertical de la pared lateral.
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Profundidad del flujo, calado o tirante: La tirante: La profundidad del flujo (y) es la distancia vertical del punto más bajo de la sección del canal a la superficie libre. Ancho superior: El superior: El ancho superior (T) es el ancho de la sección del canal en la superficie libre. Área mojada: El mojada: El área mojada (A) es el área de la sección transversal del flujo normal a la dirección del flujo.
Perímetro mojado: El mojado: El perímetro mojado (P) es la longitud de la línea de la intersección de la superficie mojada del canal con la sección transversal normal a la dirección del flujo.
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Radio hidráulico: El radio hidráulico (R) es la relación entre el área mojada y el perímetro mojado, se expresa como R = A / P Profundidad hidráulica: La hidráulica: La profundidad hidráulica (D) es la relación del área mojada con el ancho superior, se expresa como: D=A/T Factor de la sección: el sección: el factor de la sección (Z), para cálculos de escurrimiento o flujo critico es el producto del área mojada con la raíz cuadrada de la profundidad hidráulica, se expresa como:
√ √
El factor de la sección, para cálculos de escurrimiento escurrimiento uniforme es el producto del área mojada con la potencia 2/3 del radio r adio hidráulico, se expresa como:
8. Formas geométricas de un canal: 8.1. Canal de sección rectangular:
B Área mojada Perímetro mojado Espejo de agua
: Ancho de la base del canal ( m) : : :
8.2. Canal de sección triangular: Z : Talud Área mojada : Perímetro mojado : Espejo de agua :
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√ √
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8.3. Canal de sección trapezoidal: Área mojada : Perímetro mojado : Espejo de agua :
() ) √ √
8.4. Canal de sección circular: r : Radio de la sección circular ( m)
Área mojada
Perímetro mojado
Espejo de agua
) () : () : () :
8.5. Canal de sección parabólico:
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Área mojada
Perímetro mojado
Espejo de agua
: : :
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8.6. Canales de secciones especiales: Se han usado en el pasado y se siguen usando, especialmente para canalizaciones de aguas servidas, o canalizaciones mixtas de aguas servidas y aguas de lluvia, donde la variación de caudales en el tiempo puede ser considerable, secciones especiales o compuestas. En estos casos la determinación de los parámetros A, P y R se realiza caso por caso en función de la geometría de la sección. El radio hidráulico de un canal o ducto, generalmente representado por la letra R y expresado en m, es la relación entre: El área mojada (A, en m2) El perímetro mojado (P, en m) Su determinación es función de la forma geométrica del canal.
8.7. Canales de sección irregular: Es el caso general para los canales naturales, pero existen también canales construidos con secciones geométricas definidas, y que en el transcurso del tiempo, por efecto de la erosión, se han transformado en irregulares y deben ser tratados como tales para obtener resultados de análisis correctos. 9. Elementos geométricos de las Secciones de un canal:
10. Tipos de flujo en un canal: 10.1. Flujo permanente: Un flujo permanente es el que no cambia en el tiempo para el cual se está estudiando el comportamiento del agua en el canal. Las características del flujo, 21
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como son: Velocidad (V), Caudal (Q), y Calado (h), son independientes del tiempo, si bien pueden variar a lo largo del canal, siendo x la abscisa de una sección genérica, se tiene que: V = fv(x) Q = fq(x) h = fh(x) 10.2. Flujo transitorio: Un flujo transitorio presenta cambios en sus características a lo largo del tiempo para el cual se analiza el comportamiento del canal. Las características del flujo son función del tiempo; en este caso se tiene que: V = fv(x, t) Q = fq(x, t) h = fh(x, t) Las situaciones de transitoriedad se pueden dar tanto en el flujo subcrítico como en el supercítico.
10.3. Flujo gradualmente variado: El flujo es variado: si la profundidad de flujo cambia a lo largo del canal. El flujo variado puede ser permanente o no permanente. Debido a que el flujo uniforme no permanente es poco frecuente, el término: ”flujo no permanente “se utilizará de aquí para adelante para designar exclusivamente el flujo variado no permanente. El flujo variado puede clasificarse además como rápidamente variado o gradualmente variado. variado. El flujo es rápidamente variado si la profundidad del agua cambia de manera abrupta en distancias comparativamente cortas; de otro modo es gradualmente variado. Un flujo rápidamente variado también se conoce como fenómeno local; algunos ejemplos son el resalto hidráulico y la caída hidráulica. 10.4. Flujo subcrítico: En el caso de flujo subcrítico, también denominado flujo lento, el nivel efectivo del agua en una sección determinada está condicionado a la condición de contorno situada aguas abajo. 10.5. Flujo supercrítico: En el caso de flujo supercrítico, también denominado flujo veloz, el nivel del agua efectivo en una sección determinada está condicionado a la condición de contorno situada aguas arriba
11. Caudal o gasto: 11.Caudal El Caudal se define como volumen de líquido que pasa por la sección transversal de una corriente en la unidad de tiempo. Este dato es uno de los más importantes que deben considerarse en la recolección de muestras, su medida se utiliza para interpretar las variaciones de flujo, calcular la masa de las sustancias acarreadas por el agua y para facilitar la planificación de los estudios. A la acción de medir el gasto se le denomina .aforar “se llama estación de aforo al lugar en el cual se practica sistemáticamente mediciones para conocer el régimen de una corriente. Si en vez de medir la cantidad que circula en volumen volumen se lo establece en peso se lo puede definir definir como gasto. En la realidad los fluidos al desplazarse ofrecen 2 tipos de resistencia:
Frotamiento del fluido con las paredes de la canalización. Frotamiento interno entre las partículas del mismo fluido o viscosidad.
()
Caudal masa: Se masa: Se le llama caudal o gasto de masa, a: la densidad, v es la velocidad, A es la sección recta de la estructura por donde fluye el fluido.
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Caudal de peso: Tiene peso: Tiene la siguiente expresión:
) ( Caudal volumétrico: ( ) Caudal práctico: Cuando práctico: Cuando el fluido fluye tomando una vena liquida. ( )
12. Número de Froude (Fr): Es un número adimensional que relaciona el efecto de las fuerzas de inercia y la fuerzas de gravedad que actúan sobre un fluido, es decir:
Si el Número de Froude es Froude es igual a la unidad (F = 1), el 1), el flujo se denomina crítico crítico..
Si el Número de Froude es Froude es menor a la unidad (F < 1), el 1), el flujo se denomina subcrítico (lento).
Si el Número de Froude es Froude es mayor a la unidad (F > 1), el flujo se denomina supercrítico supercrítico.. (veloz).
13.Energía 13. Energía Específica: La energía específica en la sección de un canal se define como la energía por kilogramo de agua que fluye a través de la sección, medida con respecto al fondo del canal. La ecuación de Bernoulli para una sección del canal es:
Donde Z= 0 (ya que el nivel de referencia es el fondo del canal). Obteniéndose la ecuación de la energía específica, considerando = 1, y fuerza de rozamiento despreciable:
14.Formula 14. Formula de Manning - Stringer: Es la formula cuyo uso se halla más extendido a casi todos las partes del mundo.
Donde la velocidad se puede expresar:
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15.Coeficiente 15. Coeficiente de rugosidad de Manning (n):
16. Erosión en canales sin revestimiento: 16.Erosión El diseño de canales no revestidos no es tan simple como el de los revestidos ya que es un proceso que puede resultar muy complejo debido a los muchos parámetros involucrados, la mayor parte de los cuales no son cuantificables en forma precisa. El diseño depende no solo de parámetros hidráulicos sino también de las propiedades de los materiales que forman el fondo y los taludes del canal y se busca que no ocurra ni sedimentación ni erosión. Hay varios métodos de diseño, entre los que están: velocidad máxima permisible y fuerza tractiva. a. Método de la velocidad máxima permisible: La velocidad máxima permitida o la velocidad no erosionante, es la velocidad media más grande que no causará erosión del cuerpo del canal. Esta velocidad es muy incierta y variable, y se puede estimar solamente con experiencia y buen juicio. En general, los canales viejos y bien asentados soportarán velocidades mucho más altas que los nuevos, debido a que el viejo lecho del canal está usualmente mejor estabilizado.
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Reducción del 25% en la velocidad máxima permisible, en canales con t angentes largas.
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En tirantes mayores a 0.91m la velocidad máxima permisible debe aumentarse en 0.15m/s. La velocidad de flujo en canales canales que acarrean abrasivos, como pedazos de basalto, basalto, debe reducirse en 0.15m/s.
Los canales de derivación de ríos con alta carga de arcillas, deben diseñarse para velocidades medias de 0.30 a 0.61 m/s. m/s . b. Método de la fuerza tractiva (fuerza cortante, de arrastre o t angencial)
Cuando el agua fluye en un canal, se desarrolla una fuerza que actúa en la dirección del flujo sobre el lecho del canal. Esta fuerza, la cual es simplemente el barrer del agua sobre el área con agua, es conocida como la fuerza tractiva. Por definición, la fuerza tractiva, también llamada fuerza cortante o de arrastre o tangencial, es la fuerza que actúa sobre las partículas que componen el perímetro del canal y es producida por el flujo del agua sobre estas partículas. En la práctica, la fuerza tractiva no es la fuerza sobre una partícula individual, sino la fuerza ejercida sobre un área perimetral del canal.
La fuerza tractiva que no erosiona y recomendable es: En el fondo del canal:
IV.
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En los taludes del canal:
DESCRIPCIÓN ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN: Los diferentes tipos de flujo afectan drásticamente a la geometría del canal, durante el proceso de transporte de agua en un sistema de canal abierto, de acuerdo a la intensidad del flujo y al tipo de éste, se puede llegar a producir fuerzas que deterioran el lecho del canal, podemos mencionar por ejemplo a la fuerza que ocasiona la erosión, denominada fuerza de arrastre o fuerza cortante o simplemente fuerza tangencial que tangencial que se presenta en un canal sin revestimiento , pero mediante mecanismos de estudio se puede aliviar este efecto aplicando
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métodos en el diseño de este tipo de canales como lo son: el método de la máxima velocidad y velocidad y el método de la fuerza tractiva.
La forma geométrica de un canal tiene ventajas y desventajas al momento de transportar el agua. Sabemos que las secciones básicas en canales son rectangular, trapezoidal, triangular y circular.
Los canales rectangulares son utilizados para pequeños caudales, mientras que los trapezoidales, para grandes e importantes caudales. En ocasiones se utilizan secciones algo complejas, en las cuales las uniones entre paredes de secciones trapezoidales o triangulares se redondean para facilitar su limpieza.
Al redondearlas ofrecen la ventaja de que la velocidad del flujo aumenta cuando disminuye el la altura de agua, al hacerse mínima la sección, con lo cual se previene la sedimentación de partículas extrañas en la base del canal. La mejor sección óptima desde el punto de vista hidráulico será aquella, que para una rugosidad y pendiente, conduzca un caudal máximo. Es decir, el caudal será máximo cuando el perímetro mojado de la sección sea mínimo. Por ello la sección circular es circular es la más óptima y que mejores ventajas ofrece.
V.
IMPACTO AMBIENTAL:
La construcción de un canal genera impactos positivos pero también algunos impactos negativos principalmente sobre la tenencia de tierra, la vida salvaje, la vegetación y el medio ambiente en general. Además sabemos que la industria de la construcción es un potencial contaminante durante el proceso de producción de los materiales a emplearse en la construcción de cualquier obra, para nuestro caso particular en la construcción de un canal abierto. Por una parte, el canal ocupa un espacio y se requiere el pago de derechos de servidumbre en caso de que su alineamiento atraviese propiedades privadas; por otro lado, la construcción de un canal tiene el efecto de partir la tierra lo cual no siempre resulta conveniente si los propietarios de un determinado predio no se benefician del proyecto del canal y consideran al canal como una barrera para su desplazamiento. 26
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Debemos mencionar también que los canales no causan pérdida significativa de la fauna, pero si alteran la vegetación que la rodea generando un impacto permanente, debido a que se capta casi en su totalidad el agua para su transporte y aprovechamiento.
IMPACTO POSITIVO: El control del caudal ca udal es necesario para optimizar opt imizar el uso racional del agua, beneficia a la población porque permite llevar agua a los lugares donde los terrenos son áridos y transformar un lugar desértico en un lugar de abundante vegetación, generando mejor calidad de vida. Es más cuando se construye los canales trae consigo el desarrollo de un determinado sector, garantizando una producción agrícola optima por la presencia constante de agua aun en épocas de estiaje.
IMPACTO NEGATIVO: Los canales desvían el recorrido natural del agua por tanto generan deterioros a sectores que antes de su construcción subsistían del agua desviada o captada. Como mencionamos anteriormente se altera completamente la flora y fauna del sector aledaño , la desviación del agua genera la desaparición parcialmente de los manantiales naturales, en caso de los lagos altera la vida ictiología de las especies que lo habitan.
VI.
CONCLUSIONES:
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OBSERVACION: Todo proyecto en la actualidad, lleva consigo un estudio de Impacto Ambiental, que se evalúa en el momento de su estudio previo a la ejecución, por ello toma algunos mecanismos de solución de dichos impactos, reduciendo su efecto sobre estos.
Los canales en general se deben de revestir para prevenir la erosión y minimizar las pérdidas de agua por filtración. En efecto, en los canales de conducción algunos estudios estiman que la pérdida de agua es del orden del 5% en los canales revestidos revestidos y del 30% en los canales de tierra. No debemos olvidar que existe métodos de diseño para canales sin revestir como lo son el método de velocidades máximas admisibles, método de la fuerza tractiva. Al analizar el flujo en una sección de un canal, debemos de tener en cuenta que formas geométricas ofrecen mayor ventaja, en el transporte de agua, La mejor sección apropiada desde el punto de vista hidráulico, es la que para una rugosidad y pendiente dada, conduzca un caudal máximo. En definitiva, el caudal será máximo cuando el perímetro mojado (P) de la sección sea mínimo. Adicionalmente, el caudal que se transporta no llega completamente desde su captación hasta su distribución, por motivos de evaporación, filtración, entre otros factores.
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VII. BREVE ENSAYO: Históricamente y ancestralmente nuestras civilizaciones peruanas y otras civilizaciones que surgieron, han sabido aprovechar el adecuado uso racional del agua, mediante sistemas de trasporte como lo son los canales abiertos, para consumo humano y producción agrícola. Los tipos de flujo son muy variados, debido a ello generan comportamientos únicos en los lechos de los canales, no necesariamente hechos por el hombre, sino también en los canales naturales; generando flujos laminares hasta turbulentos, flujos acelerados y retardos. Que interactúan con la forma geométrica del canal ofreciendo ventajas sobre algunas secciones o formas geométricas al transportar el agua. Los canales son importantes para el desarrollo de la sociedad, debido al simple hecho de captar y distribuir el agua, para su consumo y uso en las actividades diarias, manipulando un sistema optimo del caudal, con los estudios previos que van relacionados con la parte física y técnica. Asimismo debemos de tener presente que la construcción de un canal implica múltiples escenarios, desde sus estudios previos a su ejecución, los impactos ambientales y sociales que genera este al momento de su respectiva ejecución, y su mantenimiento mantenimiento respectivo, para un buen desempeño durante el tiempo de vida de la obra.
VIII. BIBLIOGRAFIA:
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Ven Te Chow; Hidráulicade Hidráulicade CanalesAbiertos. McGraw- Hill. Máximo Villón Béjar; Hidráulicade Hidráulicade Canales. Villón (segunda edición-2007).
Editorial Editorial
F. Ugarte, Mecánicade Fluidos I, San Marcos; segunda edición - 1990.
Editorial
O. Miranda & D. Campos; de Fluidos e Hidráulica, Editorial Top – Job E.I.R.L M. E. Guevara A.;
Mecánica Flujo Libre
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IX.
ANEXOS SOFTWARE DE APLICACIÓN EN LA INGENIERIA
En un proyecto de irrigación la parte que comprende el diseño de los canales y obras de arte, si bien es cierto que son de vital importancia en el costo de la obra, no es lo más importante puesto que el caudal, caudal, factor clave en el diseño y el más importante en un proyecto de riego, es un parámetro que se obtiene sobre la base del tipo de suelo, cultivo, condiciones climáticas, métodos de riego, riego, etc., es decir mediante la conjunción de la relación agua - suelo - planta y la hidrología, hidrología, de manera que cuando se trata de una planificación de canales, el diseñador tendrá una visión más amplia y ser más eficiente, motivo motivo por lo cual el ingeniero ingeniero agrícola destaca y predomina en un proyecto de irrigación.
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El software de Aplicación, permite realizar cálculos:
De la Tirante (y) Espejo de agua (T) Área hidráulica (A) Tipo de flujo Numero de Froude Perímetro mojado (P) Velocidad media (V) Radio Hidráulico Energía Especifica (E) A partir de datos conocidos, como: Caudal (Q) Ancho de la Base (b) Talud (Z) Pendiente (%) Rugosidad (n)
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PRESENTACIÓN DEL SOFTWARE DE APLICACIÓN
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HERRAMIENTAS DEL SOFTWARE DE APLICACIÓN
CÁLCULOS DEL SOFTWARE DE APLICACIÓN - SECCION TRAPEZOIDAL
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CÁLCULOS DEL SOFTWARE DE APLICACIÓN - SECCION TRIANGULAR
CÁLCULOS DEL SOFTWARE DE APLICACIÓN - SECCION RECTANGULAR
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FISICA II (FS-241)
CÁLCULOS DEL SOFTWARE DE APLICACIÓN - SECCION CIRCULAR
CÁLCULOS DEL SOFTWARE DE APLICACIÓN - SECCION PARABÓLICA
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