FACULTAD DE INGENIERIA - ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

LABORATORIO

Resalte Hidráulico: Aplicación de F.E

CURSO

Ingeniería Hidráulica

PROFESOR

Ing. Manuel Casas Villalobos

ALUMNA

Rocio Escobar Orihuela

CODIGO

201010426

FECHA

06 junio del 2013

RESALTO HIDRAULICO EN CANALES ABIERTOS

INTRODUCCION

Uno de los aspectos que generalmente merece especial atención en el diseño de obras hidráulicas es la disipación de la energía cinética que adquiere un chorro líquido por el incremento de la velocidad de flujo.

Esta situación se presenta en vertederos de excedencias, estructuras de caída, desfogues de fondo, bocatomas, salidas de alcantarillas, etc.

La disipación de la energía cinética puede lograrse aplicando diferentes medidas, como la generación de resalto hidráulico.

El resalto hidraulico es una sobreelevación de la superficie liquida, el cual se presenta al pasar de una profundidad menor a mayor, a la cual se le llama profundidad crítica o energía mínima, ocurre cuando se pasa de un flujo rápido a uno tranquilo es decir pasa de un tirante menor al crítico mayor.

Tipos de resalto hidraulico

Resalto claro. Se presenta con gran turbulencia, el cual hace que cierta porción del líquido retorne contra la corriente.

Resalto barrido. Se presenta como una superficie agitada pero sin remolinos y sin retorno del líquido.

OBJETIVO

La práctica de laboratorio tiene como finalidad:

Estudiar a través del experimento el comportamiento de un resalto hidráulico. mediante el uso de un canal rectangular de pendiente variable.

Observar las diferentes clases de resalto que se forman en la experiencia

Comprobar las relaciones propuestas por diferentes investigadores mediante los datos obtenidos.

FUNDAMENTO TEORICO

Conceptos previos

Efecto de la gravedad. El efecto de la gravedad sobre el estado de flujo se representa por la relación entre las fuerzas inerciales y las fuerzas gravitacionales.

Esta relación esta dada por el Número de Froude, definido como:

Donde, v es la velocidad de flujo, g es la aceleración de gravedad y D es la profundidad hidráulica,

Donde, A es el área mojada y T es el ancho de la superficie

Clasificación del flujo respecto al régimen de velocidad

Flujo Supercrítico: en este estado el papel jugado por las fuerzas inerciales es más pronunciado presenta una velocidad de flujo muy alta, una profundidad de flujo baja y se genera en condiciones de pendiente alta.

Flujo Crítico: régimen de flujo intermedio, se caracteriza por generar alta inestabilidad en el flujo, no es recomendable para el diseño.

Flujo Subcrítico: en este estado el papel jugado por las fuerzas gravitacionales es más pronunciado por lo tanto se presenta una velocidad de flujo baja, tiene una profundidad de flujo alta y se genera en condiciones de baja pendiente.

RESALTO 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 un cambio violento del régimen de flujo, de supercrítico a subcrítico.

Este involucra una pérdida de energía relativamente grande mediante disipación en el cuerpo turbulento de agua dentro del resalto. En consecuencia, el contenido de energía en el flujo después del resalto es apreciablemente menor que el de antes del mismo.

La profundidad antes del resalto es siempre menor que la profundidad después del resalto. La profundidad antes del resalto se conoce como PROFUNDIDAD INICIAL (y1), y después del resalto se conoce como PROFUNDIDAD SECUENTE (y2). Entonces, la energía específica (E1) correspondiente a la profundidad inicial (y1) es mayor que la energía específica (E2) correspondiente a la profundidad secuente (y2) en una cantidad igual a la pérdida de energía "E”.

Resalto hidráulico

En la sección 1, actúan las fuerzas hidrostática F1h y dinámica F1d; en forma similar pero en sentido contrario en la sección 2, F2h y F2d. En ambas secciones la sumatoria de fuerzas da como resultado F1 y F2 respectivamente. En el estado de equilibrio, ambas fuerzas tienen la misma magnitud pero dirección contraria (la fuerza F1h es menor a F2h, inversamente F1d es mayor a F2d). Debido a la posición de las fuerzas resultantes, ambas están espaciadas una distancia d, lo cual genera un par de fuerzas de la misma magnitud pero de sentido contrario.

En razón a la condición de líquido, las partículas que la componen adquirirán la tendencia de fluir en la dirección de las fuerzas predominantes, presentándose la mezcla del agua con líneas de flujo superficiales moviéndose en sentido contrario a la dirección de flujo y de manera inversa en la zona cercana a la solera. El repentino encuentro entre las masas de líquido y el inevitable choque entre partículas, provocan la generación de un medio líquido de gran turbulencia que da lugar a la absorción de aire de la atmósfera, dando como resultado un medio mezcla agua-aire.

Para un metro de ancho de un canal, se considera el escurrimiento de una masa de fluido por unidad de tiempo.

El impulso total se expresará

El que deberá estar en equilibrio con la fuerza resultante:

El impulso se expresa ahora

Considerando la ecuación de continuidad

y eliminado q y v2 se obtiene:

Resultando el tirante conjugado (aguas abajo del resalto):

Con ayuda de la expresión del número de Froude (número adimensional que expresa la relación entre las fuerzas de inercia y de gravedad):

Se llega a la expresión adimensional de tirantes conjugados:

El tirante antes y después del resalto hidráulico resulta función del Número de Froude.

Las características del resalto hidráulico han sido aprovechadas para reducir las velocidades de flujo en canales a valores que permitan el escurrimiento sin ocasionar tensiones de corte superiores a los límites permitidos por los materiales que componen el perímetro mojado. El lugar geométrico en el que se presenta el resalto se denomina colchón hidráulico.

Diferentes investigadores han profundizado en el tema de la disipación de la energía a través de un resalto hidráulico; algunos han puesto atención a la relación entre los tirantes y condiciones de flujo antes y después del resalto, los menos han abordado los mecanismos internos que gobiernan un resalto hidráulico.

Se han investigado diferentes formas de colchones hidráulicos con el objeto de lograr una mejor disipación de energía en una menor longitud.

TIPOS DE RESALTO HIDRAULICO

El Bureau Of. Reclamation investigó diferentes tipos de resalto hidráulico en canales horizontales, cuya base de clasificación es el número de Froude, a saber:

Fr1 = 1 => Flujo crítico, por lo que no se forma ningún resalto.

Fr1 = 1 a 7 => La superficie de agua presenta la tendencia a la formación de ondulaciones. Resalto hidráulico ondular.

Fr1 = 1.7 a 2.5 => El ondulamiento de la superficie en el tramo de mezcla es mayor y aguas abajo las perturbaciones superficiales son menores.

Resalto hidráulico débil.

Fr1 = 4.5 1 9.0 : Se trata de un resalto plenamente formado, con mayor estabilidad y el rendimiento es mejor, pudiendo variar entre 45 % a 70 % (13).

Resalto hidráulico permanente.

Fr1 > 9

Resalto con gran disipación de energía (hasta 80 %), gran ondulación de la superficie con tendencia de traslado de la zona de régimen supercrítico hacia aguas abajo.

En la práctica se recomienda mantener el resalto hidráulico en la condición de resalto oscilante, por cuanto se trata de un resalto bien formado y accesible en las condiciones de flujo reales, si bien la disipación que se logra no alcanza los mejores niveles. En los casos de resaltos permanente y fuerte, las condiciones hidráulicas aguas abajo son muy exigentes y difíciles de cumplir en la práctica.

Para el diseño de colchones hidráulicos se consideran los siguientes aspectos.

Pérdida de energía

Se define como la diferencia de energías específicas antes y después del resalto.

Eficiencia

Se define la eficiencia de un resalto hidráulico como la relación de energía específica después y antes del resalto:

Por lo que se puede advertir, la eficiencia de un resalto hidráulico depende únicamente del número de Froude antes del mismo.

Longitud del resalto hidráulico

Un parámetro importante en el diseño de obras hidráulicas es la longitud del resalto, que definirá la necesidad de incorporar obras complementarias para reducir esta longitud y/o aplicar medidas de protección de la superficie para incrementar su resistencia a las tensiones de corte.

Los resultados de pruebas experimentales realizadas por el Bureau of Reclamation, dan los siguientes resultados:

Fig. 5.2 - Relación adimensional para la longitud del resalto hidráulico. Bureau of reclamation

Perfil de la superficie del resalto

Este dato tiene utilidad para el diseño de las paredes laterales de la obra, tanto en lo que se refiere a su altura como a su estabilidad.

Bakhmeteff y Matzke, encontraron que el perfil de la superficie de un resalto hidráulico, se puede representar por curvas adimensionales en función de Fr1, como se muestra en el siguiente gráfico:

Localización del resalto hidráulico

La ubicación del resalto hidráulico depende de las condiciones de flujo tanto aguas arriba como aguas abajo.

Para la explicación de este aspecto, consideremos el caso del flujo a través de un conducto inferior, a manera de un desfogue de fondo. Aguas abajo, el nivel de agua es influenciado por algún elemento de control, como por ejemplo una estructura transversal.

Figura 5.4 - Esquema de un resalto hidráulico en un sistema formado por una compuerta y una estructura de caída

Por un lado, el tirante alcanza su mínimo valor inmediatamente después de la compuerta, este se incrementa gradualmente en régimen supercrítico en dirección aguas abajo. Por otro lado el tirante aguas abajo se desarrolla a través de una curva de depresión incrementándose hacia aguas arriba en régimen subcrítico.

En alguna sección A, el chorro que se desplaza desde la compuerta, tiene un tirante h1A y requiere, para la formación del resalto, un tirante conjugado h2A, sin embargo el tirante real en esa sección es menor al requerido. Bajo estas condiciones el chorro líquido continúa su movimiento hacia aguas abajo, incrementando el tirante y por lo tanto reduciendo su energía cinética. En una sección G el tirante conjugado requerido h2A alcanzará una magnitud equivalente al tirante existente, presentándose las condiciones para la formación de un resalto hidráulico.

Diseño de un colchón hidráulico

Un colchón hidráulico se hace necesario cuando no es posible lograr la disipación de energía deseada de manera natural, es decir cuando el tirante conjugado necesario es mayor al tirante existente aguas abajo.

En esos casos se considera la alternativa de forzar a la disipación a través de un cuenco artificial, obligando el desarrollo del resalto hidráulico en un tramo definido que sea lo más corto posible, para este propósito serán necesarias obras complementarias que permitan proteger el perímetro mojado de la zona de mayores velocidades.

EQUIPO UTILIZADO

CANAL DE PENDIENTE VARIABLE HASTA UN MAXIMO DE 3° (5.25%)

PROCEDIMIENTO

Se establece un caudal cualquiera en el canal de pendiente variable.Se regula la pendiente con el fin de obtener un caudal supercritico.Mediante la compuerta localizada al final del canal, se provoca un

acumulamiento de masa de agua con el fin de que regrese contra el sentido de el flujo.

Una vez que esto se produce hay que localizar el lugar donde el resalto se produce, y esperar que se estabilice.

De esa manera se hace la toma de medidas correspondientes:

- antes del resalto, es decir cuando el flujo es supercritico, - en el tramo en que se produce el resalto, flujo critico.- Y después de este, cuando el flujo es subcritico.

Una ves hecha la toma de datos correspondiente se procede a variar tanto el caudal como la pendiente del canal, esto es para lograr conocer este comportamiento en distintas condiciones de flujo.Y finalmente se realizara los cálculos respectivos

DATOS

Nº exp. ∞º Q (m3/h) PROMEDIO Ax (m)

Y1 (cm) Y2 (cm)1 0.75 20 2.60 7.35 0.802 0.75 30 3.00 10.30 0.973 0.75 40 3.80 12.50 1.134 0.75 50 4.65 14.50 1.435 0.75 60 5.60 15.70 1.536 0.75 70 6.10 17.60 1.60

CALCULOS Y RESULTADOS

Nº de exp.

S (tanθ)

Q (m3/seg)

y1 (m)

y2 (m)

v1 (m/seg)

v2 (m/seg) F1 F2

hf (m)

hj (m) E2/E1 L/Y2

1 0.932 0.006 0.026 0.074 0.712 0.252 1.410 0.297 0.014 0.048 0.955 10.882 0.932 0.008 0.030 0.103 0.926 0.270 1.707 0.268 0.031 0.073 0.936 9.423 0.932 0.011 0.038 0.125 0.975 0.296 1.596 0.268 0.035 0.087 0.946 9.044 0.932 0.014 0.047 0.145 0.996 0.319 1.474 0.268 0.035 0.099 0.953 9.865 0.932 0.019 0.061 0.176 1.063 0.368 1.374 0.280 0.035 0.115 0.955 9.096 0.932 0.019 0.061 0.176 1.063 0.368 1.374 0.280 0.035 0.115 0.955 9.09

Nº de exp. LRH exp (m) Douma Miami Pikalon Paulovski Chertousov tipo resalto1 0.800 0.221 0.238 0.518 0.284 0.130 ondular2 0.970 0.309 0.365 0.819 0.414 0.233 debil3 1.130 0.375 0.435 0.927 0.499 0.257 ondular4 1.430 0.435 0.493 0.994 0.573 0.262 ondular5 1.530 0.471 0.505 1.027 0.606 0.240 oscilante6 1.600 0.528 0.575 1.165 0.684 0.283 oscilante

GRAFICOS

CONCLUSIONES Se pudo hacer el estudio experimental de un resalto hidráulico en un canal

rectangular.

Al ocurrir un resalto hidráulico el tirante será siempre inferior al crítico.

El flujo para los dos caudales es de régimen turbulento.

Existen dos tipos de resaltos claro y barrido, la cual en el laboratorio observamos el claro con turbulencia y retorno de una porción de líquido.

A mayor caudal, mayor es el Y2 calculado

La energía crítica y el Yc es mas alto en el caudal mayor.

RECOMENDACIONES

Es importante que el ingeniero tenga los conocimientos básicos para el diseño de estructuras hidráulicas con cambios repentinos de flujo, mediante la determinación del número de froude y los efectos del cambio en las líneas de flujo en un punto específico de un canal.

También se recomienda hacer una medida cautelosa respecto a los tirantes que se presentan en la practica.

Y finalmente saber como estrablecer un resalto hidraulico es un requisito básico que debe aprender un alumno, ya que solo así puede conocer el movimiento de la masa de agua frente a distintas condiciones.

BIBLIOGRAFIA

MOTT, ROBERT. Mécanica de fluidos aplicada. De. Prentice hall.

H.W. KING, MANUAL DE HIDRAULICA