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canales lo basico de canales solo teoria y salto hidraulico
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Canal Abierto
Es un conducto por el cual circula un flujo, que tiene una superficie libre expuesta
a la atmósfera. Esta superficie es esencialmente una interface entre dos
fluidos de diferente densidad. En el caso de la atmósfera, la densidad del aire
es mucho menor que la densidad del agua, en una construcción destinada
al transporte de fluidos generalmente utilizada para agua, a diferencia de
las tuberías, es abierta a la atmósfera. 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 de la ingeniería civil.
Flujo en Canales Abierto puede Clasificarse
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. Sin embargo el cambio en la condición
del flujo con respecto al tiempo es importante, el flujo debe tratarse como no
permante, el nivel de flujo cambia de manera instantánea a medida que
las ondas pasan y el elemento tiempo se vuelve de vital importancia para
el diseño de estructuras de control. Para cualquier flujo, el caudal Q en una
sección del canal se expresa por Q=VA. Donde V es la velocidad media y A es el
área de la sección transversal de flujo perpendicular a la dirección de este, debido
a que la velocidad media esta definida como el caudal divido por el área de la
sección transversal.
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 uniforme
permanente es el tipo de flujo fundamental que se considera en la hidráulica de
canales abiertos. La profundidad del flujo no cambia durante el intervalo de tiempo
bajo consideración. El establecimiento de un flujo uniforme no permanente
requeriría que la superficie del agua fluctuara de un tiempo a otro pero
permaneciendo paralela al fondo del canal.
Flujo 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 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
La Fórmula de Chézy,
Desarrollada por el ingeniero francés Antoine de Chézy, conocido
internacionalmente por su contribución a la hidráulica de los canales abiertos, es la
primera fórmula de fricción que se conoce. Fue presentada en 1769. La fórmula
permite obtener la velocidad media en la sección de un canal y establece que:
donde:
= velocidad media del agua en m/s
= radio hidráulico
= la pendiente longitudinal de la solera o fondo del canal en m/m
= coeficiente de Chézy. Una de las posibles formulaciones de este
coeficiente se debe a Bazin.
Coeficiente de Chézy
al coeficiente utilizado en la fórmula de Chézy para el cálculo de
la velocidad delagua en canales abiertos:
donde:
= velocidad media del agua en m/s, que es función del tirante
hidráulico h
= radio hidráulico, en m, función de h
= la pendiente de la línea de agua en m/m
= coeficiente de Chézy.
Una de las posibles formulaciones de este coeficiente se debe a Henri Bazin:
donde:
es un parámetro que depende de la rugosidad de la pared
Aplicando la formulación de Bazin para el coeficiente de Chézy, la
velocidad del agua en canales se calcula según la fórmula siguiente:
Existen otras expresiones para el coeficiente C, entre las que se pueden citar:
Fórmula de Kutter
es una expresión del denominado coeficiente de Chézy utilizado en la fórmula
de Chézy para el cálculo de la velocidad del agua en canales abiertos:
La expresión más común de la fórmula de Kutter es:
donde:
= coeficiente de Chézy, que se aplica en la fórmula de
Chézy:
= radio hidráulico, en m, función del tirante hidráulico h
es un parámetro que depende de la rugosidad de la pared
= velocidad media del agua en m/s, que es función del tirante
hidráulico h
= la pendiente de la línea de agua en m/m
Radio Hidráulico
Es un parámetro importante en el dimensionado de canales, tubos y otros
componentes de las obras hidráulicas, generalmente es 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).
Es decir:
GEOMETRIAS DE LOS CANALES REGULARES
Canales de sección rectangular
Área mojada:
Perímetro mojado:
Donde:
L = ancho de la base del canal (en m).
h = altura del nivel del líquido dentro de la sección rectangular.
Canales de sección triangular
Área mojada:
Perímetro mojado:
Donde: siendo: el ángulo del talud con la horizontal.
Canales de sección trapezoidal
Área mojada:
Perímetro mojado:
Canales de sección circular
Área mojada: ; o expresando el ángulo en
radianes : ...
Perímetro mojado: ; o igualmente
Donde: r = radio de la sección circular (en m); la sección mojada limitada por la
cuerda c, que sostiene el ángulo al centroΦ medido en grados sexagesimales. [
cuando se expresa en radianes
Consideraciones Sobre el Radio Hidráulico:
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 si las fuerzas viscosas son tan fuertes comparadas con las
fuerzas de inercia, que la viscosidad juega un papel importante para determinar el
comportamiento del flujo. En flujo laminar, las partículas del fluido parecen
moverse en recorridos calmados definidos, o líneas de corriente, y las capas
delgadas del fluido parecen deslizarse sobre las capas adyacentes.
El flujo es turbulento si las fuerzas viscosas son débiles comparadas con las
fuerzas de inercia. 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. En la mayor parte de los canales abiertos el flujo laminar ocurre muy
raramente. En efecto, el hecho de que la superficie de una corriente aparezca lisa
y tersa para un observador no es en ningún modo una indicación de que el flujo
sea laminar; más probablemente, ello indica que la velocidad de la superficie es
más baja que la requerid para que se formen ondas capilares. El flujo laminar en
canales abiertos existe, por ejemplo donde delgadas láminas de agua fluyes sobre
el suelo o en canales de laboratorio.
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 de Froude.
Si el Número de Froude es mayor a la unidad (F > 1), el flujo se
denomina supercrítico.
Si el Número de Froude es menor a la unidad (F < 1), el flujo se
denomina subcrítico.
Si el Número de Froude es igual a la unidad (F = 1), el flujo se denomina crítico.
Flujo laminar
: Se caracteriza porque el movimiento de las partículas del fluido se produce
siguiendo trayectorias bastante regulares, separadas y perfectamente definidas
dando la impresión de que se tratara de laminas o capas mas o menos paralelas
entre si, las cuales se deslizan suavemente unas sobre otras, sin que exista
mezcla macroscópica o intercambio transversal entre ellas.
La ley de Newton de la viscosidad es la que rige el flujo laminar:
Esta ley establece la relación existente entre el esfuerzo cortante y la rapidez de
deformación angular. La acción de la viscosidad puede amortiguar cualquier
tendencia turbulenta que pueda ocurrir en el flujo laminar.
En situaciones que involucren combinaciones de baja viscosidad, alta velocidad o
grandes caudales, el flujo laminar no es estable, lo que hace que se transforme en
flujo turbulento.
Flujo uniforme:
Este tipo de flujos son poco comunes y ocurren cuando el vector velocidad en
todos los puntos del escurrimiento es idéntico tanto en magnitud como en
dirección para un instante dado o expresado matemáticamente:
Donde el tiempo se mantiene constante y s es un desplazamiento en cualquier
dirección.
Flujo variado:
es un flujo permanente cuya profundidad varía de manera gradual a lo largo del
canal. Se tendrán en cuenta las siguientes hipótesis:
1. La pérdida de altura en una sección es igual que la de un flujo uniforme con
las mismas características de velocidad y radio hidráulico.
2. La pendiente del canal es pequeña (<10%). Esto quiere decir que la
profundidad del flujo puede medirse verticalmente o perpendicularmente al
fondo del canal y no se requiere hacer corrección por presión ni por arrastre
del aire.
3. El canal es prismático.
4. Los coeficientes de distribución de la velocidad y el de rugosidad son
constantes en el tramo considerado.
Energía Específica
En la sección de un canal se define como la energía por peso de agua en
cualquier sección de un canal medida con respecto al fondo del mismo.1
La energía específica de una sección de un canal puede ser expresada como:
2
donde:
= profundidad a partir de la superficie libre de líquido o espejo (SSL)
hasta la plantilla o fondo del canal.
= Ángulo medido a partir de la pendiente del canal respecto a la
horizontal.
La energía específica de una sección de un canal con pendiente pequeña
(θ≈0) puede ser expresada como:
3
Por tanto, la energía total de una sección de un canal (con z≠0), puede
expresarse como:
donde:
= Energía total por unidad de peso.
= Energía específica del flujo, o energía medida con respecto al
fondo del canal.
= velocidad del fluido en la sección considerada.
= presión hidrostática en el fondo o la altura de la lámina de agua.
= aceleración gravitatoria.
= altura en la dirección de la gravedad desde una cota de
referencia.
= coeficiente que compensa la diferencia de velocidad de cada
una de las líneas de flujo también conocido como el coeficiente de
Coriolis.
La línea que representa la elevación de la carga total del flujo se llama
"línea de energía" . La pendiente de esta línea se define como el
"gradiente de energía".
De acuerdo al principio de la conservación de la energía, la energía
total de una sección (A) deberá ser igual a la energía total en una
sección (B), aguas abajo, más las perdidas de energía entre las dos
secciones (hf), para canales con una pendiente pequeña.
Esta ecuación se llama "ecuación de energía"
Cuando : y
es la ecuación de la energía de Bernoulli.
Profundidad Crítica
Es la profundidad en la cual un determinado caudal transita por un canal con el
mínimo de energía específica. Evidentemente, dado un caudal, la profundidad
crítica, en el canal, tiene asociado en forma biunivoca una velocidad crítica, y
una pendiente crítica.1 El concepto de profundidad crítica, basado en la energía
mínima fue introducido por Böss.2
Cuando la profundidad del flujo es mayor que la profundidad crítica, la velocidad
será menor que la velocidad crítica, y el flujo se denomina subcrítico, o flujo lento.
En un canal con flujo subcrítico las condiciones del mismo son comandadas
desde aguas abajo.
Cuando la profundidad del flujo es menor que la profundidad crítica, la velocidad
será mayor que la velocidad crítica, y el flujo se denomina supercrítico, o
flujo rápido, o veloz. En un canal con flujo supercrítico las condiciones del mismo
son comandadas desde aguas arriba.
NUMERO DE FROUDE
El numero 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 a
dimensional. 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 critico, 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.
Resalto hidráulico.
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 se produce cuando en un régimen rápidamente variado, la velocidad varía considerablemente en un intervalo espacial relativamente corto, que ocurre, por ejemplo cuando tenemos un dique de contención después del cual el agua cae a una velocidad mucho mayor que la que tenía en su caída libre por el canal. Un resalto hidráulico lleva asociado una pérdida de energía y se produce siempre que se pasa de un flujo de río a un flujo torrencial.
El resalto hidráulico es el cambio rápido de profundidad de flujo de un nivel bajo a uno alto como resultado una subida abrupta de la superficie del agua.
Las profundidades inicial y1 y y2 son las profundidades reales antes y después del resalto en el cual ocurre una pérdida de energía.
REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA DE LAS
FUERZAS ARMADAS
UNEFA NUCLEO YARACUY- EXTENSION BRUZUAL
INTEGRANTES
LEONARD TACOA CI: 24.002.266
ROSI GUIMENEZ CI: 24.166.674
SIMON MAYORA CI: 22.307.306
FRANCIS SANCHEZ CI: 23.574.134
DAMIAN OSUNA CI: 22.309.783
OCTUBRE 2015
Flujo en canales abiertos
Introducción
El flujo de canales abiertos es cuando los líquidos fluyen por la acción de la gravedad y solo están parcialmente envueltos por un contorno sólido. El flujo en canales abiertos tiene lugar en la naturaleza, como en ríos, arroyos, etc., en general, con secciones rectas del cauce irregulares.
Puede ser de forma artificial, creadas por el hombre, como 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.
También tienen lugar el flujo de canales abiertos en el caso de conductos cerrados, como tuberías de sección recta circular cuando el flujo no es a conducto lleno.
Conclusión
Un canal es una construcción que sirve para el transporte de fluidos, los cuales pueden ser rectangulares, triangulares, circulares y trapezoidal, dependiendo donde se encuentren alojados.
El número de Reynolds es un numero adimensional que nos permite saber si es laminar o no, si el número de Reynolds es menor de 2000 el flujo será laminar y si es mayor de 4000 el flujo será turbulento.
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