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