Salto hidrulico

El salto hidrulico fue investigado por primera vez experimentalmente por Giorgio Bidone, un cientfico italiano en 1818.1 El salto hidrulico es conocido tambin como una onda estacionaria.2

ndice

1 Definicin

2 Aplicaciones

3 Condiciones para la formacin del salto hidrulico

3.1 Canales rectangulares horizontales

4 Tipos de salto hidrulico

5 Caractersticas bsicas del salto hidrulico

5.1 Prdida de energa

5.2 Eficiencia

6 Referencias

Definicin

El salto hidrulico es un fenmeno de la ciencia en el rea de la hidrulica que es frecuentemente observado en canales abiertos como ros y rpidos. Cuando un fluido a altas velocidades descarga a zonas de menores velocidades, se presenta una ascensin abrupta en la superficie del fluido. ste fluido es frenado bruscamente e incrementa la altura de su nivel, convirtiendo parte de la energa cintica inicial del flujo en energa potencial, sufriendo una inevitable prdida de energa en forma de calor. En un canal abierto, este fenmeno se manifiesta como el fluido con altas velocidades rpidamente frenando y elevndose sobre l mismo, de manera similar a cmo se forma una onda-choque

Aplicaciones

Las aplicaciones prcticas del salto hidrulico son muchas, entre las cuales se pueden mencionar:

Para la disipacin de la energa del agua escurriendo por los vertederos de las presas y otras obras hidrulicas, y evitar as la socavacin aguas abajo de la obra;

Para recuperar altura o levantar el nivel del agua sobre el lado aguas abajo de un canal de medida y as mantener alto el nivel del agua en un canal para riego u otros propsitos de distribucin de agua;

Para incrementar peso en la cuenca de disipacin y contrarrestar as el empuje hacia arriba sobre la estructura;

Para incrementar la descarga de una esclusa manteniendo atrs el nivel aguas abajo, ya que la altura ser reducida si se permite que el nivel aguas abajo ahogue el salto.3

Para mezclas qumicas usadas para purificar el agua;

Para aerear el agua para abastecimiento de agua a las ciudades.

Condiciones para la formacin del salto hidrulico

Canales rectangulares horizontales

Para un flujo supercrtico en un canal horizontal rectangular, la energa del flujo se disipa progresivamente a travs de la resistencia causada por la friccin a lo largo de las paredes y del fondo del canal, resultando una disminucin de velocidad y un aumento de la profundidad en la direccin del flujo. Un salto hidrulico se formar en el canal si el nmero de Froude (F) del flujo, la profundidad (y1) y una profundidad aguas abajo (y2) satisfacen la ecuacin:

Esta ecuacin se deduce de la conservacin del momentum especfico, ya que en un resalto hidrulico solo se conserva el momentum especfico, la energa especfica por el contrario por ser un fenmeno muy turbulento se disipa energa y por tanto la energa especfica no se conserva.

Tipos de salto hidrulico

Los saltos hidrulicos se pueden clasificar, de acuerdo con el U.S. Bureau of Reclamation, de la siguiente forma, en funcin del nmero de Froude del flujo aguas arriba del salto (los lmites indicados no marcan cortes ntidos, sino que se sobrelapan en una cierta extensin dependiendo de las condiciones locales):

Para F1 = 1.0 : el flujo es crtico, y de aqu no se forma ningn salto.

Para F1 > 1.0 y < 1.7: la superficie del agua muestra ondulaciones, y el salto es llamado salto ondular.

Para F1 > 1.7 y < 2.5: tenemos un salto dbil. Este se caracteriza por la formacin de pequeos rollos a lo largo del salto, la superficie aguas abajo del salto es lisa. La prdida de energa es baja.

Para F1 > 2.5 y < 4.5: se produce un salto oscilante. Se produce un chorro oscilante entrando al salto del fondo a la superficie una y otra vez sin periodicidad. Cada oscilacin produce una gran onda de perodo irregular, la cual comnmente puede viajar por varios kilmetros causando daos aguas abajo en bancos de tierra y mrgenes.

Para F1 > 4.5 y < 9.0 : se produce un salto llamado salto permanente: la extremidad aguas abajo del rollo de la superficie y el punto en el cual el chorro de alta velocidad tiende a dejar el flujo ocurre prcticamente en la misma seccin vertical. La accin y posicin de este salto son menos sensibles a la variacin en la profundidad aguas abajo. El salto est bien balanceado y el rendimiento en la disipacin de energa es el mejor, variando entre el 45 y el 70%.

Para F1 = 9.0 o mayor: se produce el llamado salto fuerte: el chorro de alta velocidad agarra golpes intermitentes de agua rodando hacia abajo, generando ondas aguas abajo, y puede prevalecer una superficie spera. La efectividad del salto puede llegar al 85%.

Caractersticas bsicas del salto hidrulico

Las principales caractersticas de los saltos hidrulicos en canales rectangulares horizontales son:

Prdida de energa

La prdida de energa en el salto es igual a la diferencia en energa especfica4 antes y despus del salto. Se puede mostrar que la prdida es:

La relacin se conoce como prdida relativa.

Eficiencia

La relacin de la energa especfica despus del salto a aquella antes del salto se define como eficiencia del salto. Se puede mostrar que la eficiencia del salto es:

Esta ecuacin indica que la eficiencia de un salto es una funcin adimensional, dependiendo solamente del nmero de Froude del flujo antes del salto.

Referencias

1.

El experimento fue hecho en Pars en 1818 y se report el ao siguiente.Giorgio Bidone: Observations sur la hauteur du ressaut hydraulique en 1818 Informe presentado al mitting 12,1819, de la Real Academia de Ciecias de Torino, y posteriormente incorporado en el trabajo: "Expriences sur le remous et la propagation des ondes, Memerias de la Real Academia de Ciencias de Torino", vol 25, pp21 - 122, 1819.

En francs se llama "le ressaut hidraulique". En alemn, es "wassersprung". En italiano, en honor a Bidone, es llamado "salto di Bidone"

Este principio ha sido aplicado por Saugey a una interesante herramienta conocida como "aumento de cada". La herramienta est concebida para aumentar la altura efectiva de una planta de potencia hidroeletrica durante perodos de crecidas manteniendo el nivel aguas abajo detras de la salida del tubo de descarga mediante un salto hidrulico.

1. La energa especfica de una seccin es igual a la suma de la profundidad del agua y la altura de velocidad.Se define como altura de velocidad a la relacin entre la velocidad al cuadrado y el doble de la aceleracin de la gravedad es decir:

Hidrulica de los canales abiertos. Ven Te Chow. 1982. ISBN 968-13-1327-5

Nmero de Froude en canales abiertos

En la zona ms alta del aliviadero, justo antes de caer el agua, se cumple que por lo que el rgimen es crtico.

El nmero de Froude en canales abiertos nos informa del estado del flujo hidrulico.1 El nmero de Froude en un canal se define como:2

Siendo:3

- velocidad media de la seccin del canal [m/s]

- Profundidad hidrulica () [m]. Siendo A el rea de la seccin transversal del flujo y T el ancho de la lmina libre.

- aceleracin de la gravedad [m/s]

En el caso de que:

Sea el rgimen del flujo ser supercrtico

Sea el rgimen del flujo ser crtico

Sea el rgimen del flujo ser subcrtico

Vase tambin

Estado de flujo hidrulico

Referencias

Hidrulica de los canales abiertos. Ven Te Chow. 1982. ISBN 968-13-1327-5

Mott, Robert L. Mecnica de Fluidos. Sexta Edicin. Editorial Pearson. Mxico, 2006.

Streeter, V. Mecnica de Fluidos. Novena Edicin. Editorial McGrawHill. Colombia, 2000.

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