martes, 2 de agosto de 2016

Ejercicios resueltos

Ejercicios de Flujo de Canal

Ejercicio#1

1) Se tiene un canal rectangular de hormigón (n=0,014) de 1,25 m de ancho, cuya pendiente es de 0,5%, y que portea un caudal de 1,5 m3/s. 
a) Calcule las alturas normal y crítica. 
b) Es el flujo uniforme en este canal subcrítico o supercrítico? 
c) Calcule la pendiente crítica del canal.

Solución:
La altura normal (escurrimiento uniforme) se calcula empleando la ecuación de Manning:  
En que:  n  es el coeficiente de rugosidad R  es el radio hidráulico i  es la pendiente del canal  
Por lo tanto: 
A =  1,25 h P =  1,25 + 2 h 
R = A / P = (1,25 h) / (1,25+ 2 h)  
Reemplazando en la ecuación de Manning se tiene: 
  Q = V A  (ecuación de continuidad)
                        Q = V A =  1 (1,25 h)(5/3) 0,014 (1,25+ 2 h)(2/3) 0,005 (1/2)

Como   
Q = 5 m3/s  
(1,25 h)(5/3) (1,25+ 2 h)(2/3)
5 = 5,05076

En el lado derecho de la ecuación se tiene el caudal que pasaría por el canal para una altura de aguas  “h”. 
Haciendo una iteración se tiene: 
Para   h = 1 m     Q(h) = 3,34 m3/s 
h debe ser mayor para que el caudal sea igual a 5 m3/s. Por lo tanto hay que usar otros valores de h 
h                 (m)
Q            (m3/s) 1,000 3,34
2,000            7,70
1,500             5,49
1,400             5,05
1,300             4,62
1,350             4,83
1,370              4,92
1,390              5,01
1,387              5,00 
Entonces después de iterar encontramos que la altura normal es:
hN = 1,387 m  
La altura crítica (corresponde a un escurrimiento con energía mínima) se puede calcular con: 
Q2 B g A3 Fr2 =  = 1 
La cual se deduce de derivar la energía específica con respecto a h  
dE dh
 = 0 
En este caso el canal es rectangular:
B = b A = bh 
Por lo que:
Q
b
hc = 0,4671 (2/3 )  


Ejercicio #2

2 En un canal rectangular de 1,5 m de ancho, que conduce 4 m3/s, la rugosidad del canal es 0,013, y la pendiente longitudinal es 3%. Se pide:  

a) La altura normal del flujo
 b) La altura crítica del flujo 
c) ¿Qué tipo de escurrimiento se tiene?
 d) Si en el canal se coloca una compuerta que produce un chorro de 0,5 m de altura, qué altura se tendrá aguas arriba de la compuerta?  
e) Indique en la figura dónde se produce resalto hidráulico y calcule que alturas tiene.   

Solución:

a) La altura normal (escurrimiento uniforme) se calcula empleando la ecuación de Manning:   
En que:  n  es el coeficiente de rugosidad R  es el radio hidráulico i  es la pendiente del canal   
Por lo tanto:  
A =  1,5 h P =  1,5 + 2 h  
R = A / P = (1,5 h) / (1,5+ 2 h)   

Reemplazando en la ecuación de Manning se tiene: 

Q = V A  (ecuación de continuidad)  
1 (1,5 h)(5/3) 0,013 (1,5+ 2 h)(2/3) 0,03 (1/2)Q = V A =    
Como    Q = 4 m3/s    
(1,5 h)(5/3) (1,5+ 2 h)(2/3)
4 = 13,3235      
En el lado derecho de la ecuación se tiene el caudal que pasaría por el canal para una altura de aguas  “h”.  
Haciendo una iteración se tiene:  
Para   h = 1 m     Q(h) = 8,18 m3/s  

h debe ser menor para que el caudal sea igual a 4 m3/s. Por lo tanto hay que usar otros valores de h  
h                 (m)
Q            (m3/s) 1,000 11,36
0,800       8,49
0,600       5,76
0,400       3,26
0,450       3,86
0,500       4,48

0,450      3,86 
0,461      4,00  

Entonces después de iterar encontramos que la altura normal es:  
hN = 0,461 m  
b) La altura crítica (corresponde a un escurrimiento con energía mínima) se puede calcular con:  
Q2 B g A3 Fr2 =  = 1  
La cual se deduce de derivar la energía específica con respecto a h   
dE dh
 = 0  
En este caso el canal es rectangular: 
B = b A = bh  
Por lo que: 
Q
b
hc = 0,4671
(2/3 )  
4
1,50
hc = 0,4671
(2/3 ) = 0,898  
Por lo tanto la altura crítica es:  
   hc = 0,898 m    

c) Como  hN  < hc  el escurrimiento es supercrítico o de torrente:

Si en el canal se coloca una compuerta que deja una abertura de 0,5 m, qué altura se tendrá aguas arriba de la compuerta?  

 Inmediatamente aguas debajo de la compuerta se produce una contracción con una altura de aguas:       h1 = Cc a  
Considerando un coeficiente de contracción Cc = 0,6 se tiene que:  
    h1 = 0,6 x 0,5 = 0,3 m  
En una contracción se puede asumir que la pérdida de energía es despreciable por lo que:  
E1 = E2  
E1 = h1 + 
V12
2g
 = h2  +
V22
2g  
En la sección 2 se tiene  h2 = 0,3 m     por lo tanto    
E2 = h2 + 
V22
2g  
V2 = Q / A = 4 / (1,5 x 0,3) = 8,89 m/s  

E2 =  0,3 +  (4 / (1,5x0,3))2 / (2x 9,81) = 4,027 m 

E1 = h1 + 
V12
2g
 = h
4,027  
      h1 + 
(4 / (1,5 x h1))2
2 x 9,81
 = h
4,027  
Obviamente la solución correspondiente es de una ecuación cúbica. Procediendo por iteraciones se puede calcular.  
Con h1 = 3 m    
se tiene      E1 =  3,04 m   
h1 E1
3 3,040
3,5 3,530
4 4,023 4,004 4,027  
Iterando con otros valores se llega a    

h1 = 4,004 m   

e) Indique en la figura dónde se produce resalto hidráulico y calcule que alturas tiene.  

El resalto hidráulico es un fenómeno que ocurre cuando el flujo pasa de régimen de torrente a régimen de río.

 Como el flujo es supercrítico o de torrente el resalto se producirá aguas arriba de la compuerta, lugar en que el flujo pasa de régimen supercrítico a régimen subcrítico

 La altura de entrada del resalto será la altura normal del canal, pues el flujo del canal es de torrente.  

La altura de salida del resalto se calcula con la ecuación de las alturas conjugadas

h1 = 
h2
2
 (1 + 8 Fr22 )(1/2)  - 1   
En que Fr2 es el número de Froude  
Q2 B g A3
Fr2 =   
Con    A = 1,5 h2 = 1,5 x 0,3 = 0,45   
 B = b = 1,5 m  
 Q = 4 m3/s  
Se tiene  
 Fr22 = 7,378  
 h1 = 1,557 m   





Interpretación de fenómenos locales

Interpretación de fenómenos locales

En los canales abiertos es muy común apreciar cambios en el estado del flujo, (de supercrítico a subcrítico, o viceversa, tales cambios se dan con un correspondiente cambio en la profundidad del flujo. Si el cambio ocurre de forma rápida, a lo largo de una distancia considerablemente corta, el flujo es rápidamente variado y se conoce como Fenómeno Local.

Dentro de este tipo de fenómenos encontramos la caída hidráulica y el resalto hidráulico:

1.    Caída Hidráulica: un ca mbio rápido en la profundidad de un flujo de nivel alto a un nivel bajo, resultará en una depresión abrupta de la superficie del agua. Por lo general este fenómeno es consecuencia de un cambio brusco de pendiente o de la sección transversal del canal. En la región de transición de la caída, suele aparecer una curva invertida que conecta las superficies del agua antes y después de dicha caída. 


2. Resalto Hidráulico: este fenómeno ocurre cuando el cambio de profundidad del flujo es desde un nivel bajo a un nivel alto. Si el cambio de profundidad es pequeño, se denominará resalto ondulatorio, puesto que el agua no subirá de manera abrupta y obvia, sino que pasara de un nivel a otro, a través de una serie de ondulaciones que van disminuyendo gradualmente de tamaño


Hidraulico o salto hidraulico

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 u





El resalto hidráulico se formará en el canal si el número de Froude F1 del flujo, la Profundidad de flujo y1 y la profundidad y2 aguas abajo satisfacen la ecuación de razón de profundidades:





El número de Froude siempre es mayor que la unidad antes del resalto y menor que la unidad después de él.










Si F1 > 1 Flujo Supercrítico



Si F2 <>

Principio de energía y momentum

PRINCIPIOS DE ENERGIA Y MOMEMTUM

ENERGIA DEL FLUJO EN CANALES ABIERTOS: en hidráulica elemental se sabe que la ENERGIA total del agua en pies-lb. Por lb. De cualquier línea de corriente que pasa a través de una sección de canal puede expresarse como la altura total en pies de agua que es igual a la suma de la elevación por encima del nivel de referencia, la altura de presión y la altura de velocidad.
Energía de un flujo gradualmente variado en canales abiertos.
Por ejemplo, con respecto al plano de referencia, la altura total H de una sección O que contiene el punto a en una línea de corriente del flujo de un canal de pendiente alta puede escribirse como:

H= za + da cos0 + Va al cuadrado/ 2g

Flujo: es el desplazamiento del agua.
Agua: liquido de composición H2O.
Hidrológica: Relativo a la hidrología.
Viscosidad: Resistencia que ofrece un fluido al movimiento relativo de sus moléculas.
Rugosidad: Calidad de rugoso.
Laminar: De forma de lámina
Turbulento: 3 fís. [corriente fluida] Que tiene turbulencias.
Hidroeléctrica: [fenómeno electroquímico] Que se produce con el concurso del agua.
Cunetas: 2 Zanja en los lados de un camino, para recibir las aguas llovedizas.
Canaleta: conducto que recibe y vierte el agua de los tejados.
Presión: Fuerza ejercida sobre la unidad de superficie de un cuerpo por un gas, un líquido o un sólido
Convexo: Que tiene, respecto del que mira, la superficie más prominente en el medio que en los extremos.
Terraplén: Desnivel en el terreno con una cierta pendiente.
Uniforme: Que tiene la misma forma, manera de ser, intensidad, etc
Variado: Que tiene variedad.

Sequias: Tiempo seco de larga duración.

Tipos de Flujo de Canal y Geometría del Flujo de Canales

Tipos de Flujo de Canal

El flujo en canales abierto puede clasificarse en muchos tipos y distribuirse de diferentes maneras. La siguiente clasificación se hace de acuerdo con el cambio en la profundidad del flujo con respecto al tiempo y al espacio.

FLUJO PERMANENTE Y NO PERMANENTE: tiempo como criterio. Se dice que el flujo en un canal abierto es permanente si la profundidad del flujo no cambia o puede suponerse constante durante el intervalo de tiempo en consideración.



EL FLUJO ES NO PERMANENTE si la profundidad no cambia con el tiempo. En la mayor parte de canales abiertos es necesario estudiar el comportamiento del flujo solo bajo condiciones permanentes.



FLUJO UNIFORME Y FLUJO VARIADO: espacio como criterio. Se dice que el flujo en canales abiertos es uniforme si la profundidad del flujo es la misma en cada sección del canal. Un flujo UNIFORME puede ser permanente o no permanente, según cambie o no la profundidad con respecto al tiempo.



El flujo es VARIADO si la profundidad de flujo cambia a lo largo del canal. El flujo VARIADO PUEDE SER PERMANENTE O NO PERMANENTE es poco frecuente, el termino "FLUJO NO PERMANENTE" se utilizara de aquí en adelante para designar exclusivamente el flujo variado no permanente.
  




El flujo variado puede clasificarse además como rápidamente varia o gradualmente variado. El flujo es rápidamente variado si la profundidad del agua cambia de manera abrupta en distancias compartidamente 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.
A.- flujo permanente
1) flujo uniforme
2) flujo variado
a) flujo gradualmente variado
b) flujo rápidamente variado
B.- flujo no permanente
1) flujo uniforme no permanente "raro"
2) flujo no permanente (es decir, flujo variado no permanente)
a) flujo gradualmente variado no permanente
b) flujo rápidamente variado no permanente

ESTADO DE FLUJO. El estado o comportamiento del flujo en canales abiertos está gobernado básicamente por los efectos de viscosidad y gravedad con relación con las fuerzas inerciales del flujo.

EFECTO DE VISCOSIDAD. El flujo puede ser laminar, turbulento o transaccional según el efecto de la viscosidad en relación de la inercia.

EL FLUJO ES LAMINAR: si las fuerzas viscosas son muy fuertes en relación con las fuerzas inerciales, de tal manera que la viscosidad juega con un papel muy importante en determinar el comportamiento del flujo.

EFECTO DE LA GRAVEDAD. El efecto de la gravedad sobre el estado del flujo representa por relación por las fuerzas inerciales y las fuerzas gravitacionales.

REGIMENES DE FLUJO: en un canal el efecto combinado de la viscosidad y la gravedad puede producir cualquiera de 4 regímenes de flujo, los cuales son:
1.    suscritico-laminar
2.    súper critico-laminar
3.    suscritico-turbulento


4.    supercrítico-turbulento

Geometría del Flujo de Canales

Un canal con una sección transversal invariable y una pendiente de fondo constante se conoce como canal prismático. De otra manera, el canal es no prismático; un ejemplo es un vertedero de ancho variable y alineamiento curvo. Al menos que se indique específicamente los canales descritos son prismáticos.

El trapecio es la forma más común para canales con bancas en tierra sin recubrimiento, debido a que proveen las pendientes necesarias para la estabilidad.


El rectángulo y el triángulo son casos especiales del trapecio. Debido a que el rectángulo tiene lados verticales, por lo general se utiliza para canales construidos para materiales estables, como mampostería, roca, metal o madera

Estos elementos son muy importantes para el estudio de los flujos en canales abiertos y las expresiones mas características son las siguientes:

Rh= Ac/P

Donde Rh es el radio hidráulico en relación al área mojada (Ac) con respecto su perímetro mojado (P).

Yc = Ac/b

La profundidad hidráulica D es relación entre el área mojada y el ancho de la superficie. 

Flujo de Canal y Numero de Froude

¿Qué es un Flujo de Canal?


   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. 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.




¿Número de Froude?
       El número de Reynolds y los términos laminar y turbulentos no bastan para caracterizar todas las clases de flujo en los canales abiertos.
El mecanismo principal que sostiene flujo en un canal abierto es la fuerza de gravitación. Por ejemplo, la diferencia de altura entre dos embalses hará que el agua fluya a través de un canal que los conecta. El parámetro que representa este efecto gravitacional es el Número de Froude, puede expresarse de forma adimensional. Este es útil en los cálculos del resalto hidráulico, en el diseño de estructuras hidráulicas y en el diseño de barcos.

  • L - parámetro de longitud [m]
  • v - parámetro de velocidad [m/s]
  • g - aceleración de la gravedad [m/s²]
El flujo se clasifica como:
Fr<1, Flujo subcrítico o tranquilo, tiene una velocidad relativa baja y la profundidad es relativamente grande, prevalece la energía potencial. Corresponde a un régimen de llanura.
Fr=1, Flujo crítico, es un estado teórico en corrientes naturales y representa el punto de transición entre los regímenes subcrítico y supercrítico.

Fr>1, Flujo supercrítico o rápido, tiene una velocidad relativamente alta y poca profundidad prevalece la energía cinética. Propios de cauces de gran pendiente o ríos de montaña.