HIDRAULICA II Flujo en canales abiertos Clase I Prof. Olga Ortega 2015

Introducción El análisis del flujo de agua en canales es sumamente importante para el diseño de los mismos. El diseño de un canal consiste en la selección de la forma y dimensionamiento de la sección transversal de manera que cumpla con todos los requisitos de funcionamiento hidráulico.

Introducción El diseño hidráulico de canales consiste en realizar el dimensionamiento y la forma geométrica del canal en función al caudal que transporta de acuerdo a la demanda de agua requerida por el sistema de riego. El diseño comprende la ingeniería de trazo: alineamiento, pendiente de fondo, secciones transversales, así como la forma y dimensiones de la sección del canal, su revestimiento y la determinación de las características hidráulicas como la velocidad y el tirante que permiten establecer el régimen del flujo de agua en el canal. El diseño hidráulico trata principalmente al cálculo del tirante normal que es el que corresponde para cada descarga en un canal con pendiente de fondo,sección,seccióntransversalyrugosidaddeparedesestablecidas.

Canal abierto (Definición) Un canal abierto es aquél en el que la superficie libre del fluido está en contacto con la atmósfera o medio similar.

Flujo en canales El flujo en canales abiertos tiene lugar cuando los líquidos fluyen por la acción de la Gravedad y solo están parcialmente envueltos por un contorno solido. En el flujo de canales abiertos, el liquido que fluye tiene superficie libre y sobre el no actúa otra Presión que la debida a su Propio Peso y la Presión Atmosférica.

El flujo en canales abiertos tiene lugar en la Naturaleza en Ríos, Arroyos, etc. De forma artificial(construida por el hombre) tiene lugar en los canales, acequias y canales de desagüe. En la mayoría de los casos, los canales tienen secciones regulares, y sueles ser rectangulares, triangulares o trapezoidales. El flujo en canales abiertos también tiene lugar en el caso de Conductos Cerrados (como en tuberías de sección recta circular) cuando el flujo No es a conducto lleno. En sistemas de alcantarillado por lo general, no se presenta el flujo a Conducto lleno y su diseño se realiza como Canal Abierto.

Tipo de flujo El flujo se puede clasificar tomando como referencia los parámetros de tiempo y espacio; con el tiempo como referencia el flujo puede ser permanente y variado (no permanente); y con el espacio, el flujo puede ser uniforme y variado (no uniforme). Para el estudio de la hidráulica de canales abiertos se consideran tramos de canal largos y de sección constante por lo que se analiza únicamente el flujo uniforme considerando además que es permanente, se revisa el análisis del régimen de flujo de acuerdo con su velocidad, y como caso particular el flujo crítico.

Diferencia entre Flujo en tuberías y en canales El flujo de agua en un conducto puede ser Flujo en Canal abierto o Flujo en Tubería. - Las dos clases de flujo son similares en muchos aspectos pero se diferencias en un aspecto muy importante: el flujo en canales Debe tener una Superficie libre, mientras que de las tuberías no la tiene dado que el agua debe llenar el conducto completamente. - Una superficie libre esta sometida a la presión atmosférica - De la tubería esta sometida a la presión hidrostática

Diferencia entre Flujo en tuberías y en canales Tubería: los niveles de agua en piezómetros se mantienen por acción de la presión en la tubería en elevaciones representadas por la Línea de gradiente Hidráulico. La Energía total del flujo en la sección con referencia a una línea base es la Suma de la elevación Z del eje central de la tubería, la Altura piezométrica Y y la altura de velocidad V2/2g, donde V es la velocidad media. La energía se representa con la Línea de Energía, la pedida de energía es hf

Diferencia entre Flujo en tuberías y en canales Tubería: los niveles de agua en piezómetros se mantienen por acción de la presión en la tubería en elevaciones representadas por la Línea de gradiente Hidráulico. La Energía total del flujo en la sección con referencia a una línea base es la Suma de la elevación Z del eje central de la tubería, la Altura piezométrica Y y la altura de velocidad V2/2g, donde V es la velocidad media. La energía se representa con la Línea de Energía, la pedida de energía es hf Canales: se supone el flujo es paralelo y con distribución de velocidades uniforme y la pendiente del canal es pequeña. En este caso, la superficie del agua es la Lines de gradiente hidráulico, la profundidad de agua corresponde a la Altura piezométrica

Fundamentos del flujo de fluidos Los 3 principios fundamentales que se aplican al flujo de fluidos son: El principio de la Conservación de masa, a partir del cual se establece la ecuacion de Continuidad El principio de Energía El principio de la cantidad de movimiento

Ecuación de Continuidad La ecuación de la continuidad es la consecuencia del Principio de conservación de la masa. Par aun flujo continuo permanente, el caudal que atraviesa cualquier sección de una corriente de fluido es Constante. La cantidad de liquido que entra en la sección A1 es igual a la que sale por A2: γ1*A1*V1= γ2*A2*V2 Si se considera el liquido Incompresible:γ1 = γ2 Q=A1*V1= γ2*A2*V2 =cteQ=AV Q = caudal, (m3/s) V = Velocidad media en la sección (m/s) A = Area de la sección de flujo (m2)

Esta ecuación (Q=AV) no es valida para el caudal de un flujo permanente No Uniforme a lo largo del canal, cundo parte del agua sale o entra a lo largo del curso del flujo. El flujo espacialmente variado o Discontinuo se presenta en cunetas o a lo largo de las carreteras, en vertederos de canal lateral, en canaletas de agua de lavado de filtros, en canales de efluentes alrededor de tanques de PTAR y en canales principales de riego y drenaje de irrigación. La ley de continuidad para flujo No permanente requiere la consideración del tiempo. La ecuación de continuidad para flujo continuo No permanente debe incluir el elemento TIEMPO como una de sus variables.

Ecuación de Energía (Bernoulli) En cualquier línea de corriente que atraviesa una sección de un canal se define como ENERGIA TOTAL a la suma de las energías de Posición, Presión y la Velocidad: E=Z+y+α 𝑽 𝟐 𝟐𝒈 =Cte E- Línea de energía en la sección Z- Línea de energía posición y –El tirante V- Velocidad media del flujo en la sección Α –Coeficiente de Coriolis para la sección

Ecuación de Energía (Bernoulli) hf1-2 es la disipación de energía en el tramo

Ecuación de La cantidad de Movimiento o Momentum En una sección de un canal en la cual pasa un caudal Q con la velocidad V, la cantidad de movimiento en la unidad de tiempo, se expresa por: Cantidad de movimiento= βδQV Donde β – coeficiente de Bussinesq Q- Caudal V – Velocidad media δ Densidad del fluido

Ecuación de La cantidad de Movimiento o Momentum Consideremos un tramo de un canal p.e. donde se produce el salto hidráulico y el volumen de control limitado por la sección 1-2 La variación de la cantidad de movimiento entre secciones 1-2 será(ec. De momentum)

La clasificación del flujo se puede resumir A. Flujo permanente Flujo uniforme Flujo Variado Flujo gradualmente variado Flujo Rapidamente variado B. Flujo no permanente Flujo uniforme no permanente Flujo Variado no permanente Flujo gradualmente variado no permanente Flujo Rapidamente variado no permanente

Tipo de flujo L es la longitud del canal.

Los flujos en canales abiertos pueden ser: – Estacionarios y no estacionarios – Unidimensionales – Velocidad variable en la sección Velocidad nula (condicion no deslizamiento)

Los flujos en canales abiertos pueden ser: – Uniformes o no uniformes • Se dice que el flujo es uniforme si la profundidad del flujo y la velocidad promedio se mantienen constantes • Cuando un canal abierto tiene pendiente la velocidad del fluido aumenta hasta un límite en que las fuerzas viscosas se igualan a las inerciales debidas a la caída de elevación. • Cuando el fluido alcanza su velocidad límite el flujo es UNIFORME • El flujo se mantiene uniforme si la pendiente rugosidad o caudal no cambian.

Los flujos en canales abiertos pueden ser: – Uniformes o no uniformes • La presencia de obstáculos en el canal provoca cambios en la profundidad del flujo, lo que ocasiona que el flujo se torne NO UNIFORME O VARIADO. • El flujo variado puede ser de VARIACIÓN RÁPIDA o de VARIACIÓN GRADUAL

Efecto de viscosidad

Efecto de viscosidad

Efecto de viscosidad

Efecto de la Gravedad (Numero de Froude) El número de Froude establece la relación entre las fuerzas de inercia y las gravitatorias. L: longitud característica (profundidad del flujo en canales rectangulares anchos)

Flujo crítico, subcrítico y supercrítico El número de Froude permite establecer si el flujo es crítico, subcrítico o supercrítico

Regímenes de Flujo Según F y R

Número de Froude y número de Mach

Ejemplo de Problemas 1

Ejemplo de Problemas 1

Ejemplo de Problemas 2

Ejemplo de Problemas 2

Ejemplo de Problemas 3

Ejemplo de Problemas 3

Preguntas conceptuales I. A pesar de la similitud entre flujos es mucho mas difícil resolver problemas de Flujo en Canales abiertos que en Tuberías Presión porque: Por hecho de que la posición de la superficie libre puede cambiar con el tiempo y con el espacio. Por hecho de que la posición de la superficie libre puede cambiar con el tiempo y con el espacio y por que la profundidad del flujo, el caudal y las pendientes del fondo del canal y de la superficie libre son independientes Por hecho de que se necesita de otras disciplinas como geomorfologia, la hidrologia y mecanica del transporte de sedimentos

Preguntas conceptuales II. En el flujo a través de canales abiertos: La línea de carga piezométrica es siempre paralela a la línea de cargas totales La línea de cargas totales coincide con la superficie libre del liquido. Las líneas de carga piezométrica y de las cargas totales coinciden La línea de carga piezométric coincide con la superficie libre III. La ecuación de cantidad de movimiento es una ecuacion: Unidimensional b)Vectorial c) Escalar d) nAdimensional

Preguntas conceptuales IV. Explicar la clasificación del flujo en canales abiertos dando un ejemplo de cada uno de ellos V. Para el flujo uniforme y flujo variado el criterio es: El Tiempo El Espacio. El Fenómeno local

Canal Artificial Canal Natural

Geometría del canal

Secciones Abiertas Secciones cerradas

Componentes de un canal

Sección hidráulica del canal

Clase II