Flujo de canales Abiertos

1. Escuela Profesional de Ingeniería Civil
M.Sc. Ing. Wiston Henry Azañedo Medina
Unidad III: Canales

2. ¿clasificación de
fluidos?
¿ de qué depende el
tirante?

3. CLASIFICACIÓN DE FLUJO
FLUJO PERMANENTE
FLUJO NO
PERMANENTE
FLUJO UNIFORME FLUJO VARIADO
FLUJO UNIFORME
NO PERMANENTE
FLUJO VARIADO
NO PERMANENTE
FLUJO
GRADUALMENTE
VARIADO
FLUJO
RÁPIDAMENTE
VARIADO
FLUJO
GRADUALMENTE
VARIADO NO
PERMANENTE
FLUJO
RÁPIDAMENTE
VARIADO NO
PERMANENTE

4. FLUJO PERMANENTE Y NO PERMANENTE
• El flujo es permanente si los parámetros (tirante, velocidad, área,
etc.), no cambian con respecto al tiempo, es decir, en una sección
del canal en todos los tiempos los elementos del flujo permanecen
constantes. Matemáticamente se pueden representar:
• Si los parámetros cambian con respecto al tiempo el flujo se llama
no permanente, es decir:

5. FLUJO UNIFORME Y FLUJO VARIADO
Esta clasificación obedece a la utilización del espacio como variable. El flujo es
uniforme si los parámetros (tirante, velocidad, área, etc.), no cambian con
respecto al espacio, es decir, en cualquier sección del canal los elementos del
flujo permanecen constantes. Matemáticamente se pueden representar:
Si los parámetros varían de una sección a otra, el flujo se llama no uniforme o
variado, es decir:
• Un flujo uniforme puede ser permanente o no permanente, según cambie o
no la profundidad con respecto al tiempo.

6. FLUJO UNIFORME PERMANENTE
La profundidad del flujo no cambia durante el intervalo de
tiempo bajo consideración, es el tipo de flujo fundamental
que se considera en la hidráulica de canales abiertos.

7. FLUJO UNIFORME NO PERMANENTE
El establecimiento de un flujo uniforme no permanente
requeriría que la superficie del agua fluctuará de un tiempo
a otro pero permaneciendo paralela al fondo del canal,
como esta es una condición prácticamente imposible, Flujo
uniforme no permanente es poco frecuente.

8. FLUJO RÁPIDAMENTE VARIADO
• El flujo es rápidamente variado si la profundidad del
agua cambia de manera abrupta en distancias
comparativamente cortas, como es el caso del resalto
hidráulico.

9. FLUJO GRADUALMENTE VARIADO
• El flujo gradualmente variado es aquel en el cual los
parámetros cambian en forma gradual a lo largo del
canal, como es el caso de una curva de remanso.

10. FLUJO VARIADO

11. FLUJO GRADUALMENTE ACELERADO
FLUJO GRADUALMENTE RETARDADO
El flujo gradualmente
variado puede ser
acelerado o retardado.
El primero se presenta
cuando los tirantes en
la dirección del
van
escurrimiento
disminuyendo y el
segundo, llamado
también remanso
existe cuando sucede el
fenómeno contrario.

12. Un caso muy típico de remanso es aquel que se presenta aguas arriba de un
vertedor o cualquier obstrucción semejante
Canal con flujo de retraso gradual
llamado curva de remanso.

13. Observemos
https://www.youtube.com/watch?v=izvaxcnCj64

15. ESTADOS DE FLUJO
• El flujo puede ser laminar, turbulento o transicional según el efecto
de la viscosidad en relación con la inercia.
Flujo laminar: El flujo es laminar si las fuerzas viscosas son muy fuertes en
relación con las fuerzas inerciales, de tal manera que la viscosidad juega un
papel importante en determinar el comportamiento del flujo. En el flujo
laminar, las partículas de agua se mueven en trayectorias suaves definidas o
líneas de corriente, y las capas de fluido con espesor infinitesimal parecen
deslizarse sobre capas adyacentes, es decir, 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 láminas 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.

16. Flujo turbulento: Este tipo de flujo es el que mas se presenta en
la práctica de ingeniería. El flujo es turbulento si las fuerzas
viscosas son débiles en relación con las fuerzas inerciales. En
flujo turbulento, las partículas del agua se mueven en
trayectorias irregulares, que no son suaves ni fijas, pero que en
conjunto todavía representan el movimiento hacia adelante de
la corriente entera.

17. Factores que hacen que un flujo se torne turbulento:
-La alta rugosidad superficial de la superficie de contacto con el flujo, sobre
todo cerca del borde de ataque y a altas velocidades, irrumpe en la zona
laminar de flujo y lo vuelve turbulento.
-Alta turbulencia en el flujo de entrada. En particular para pruebas en túneles
de viento, hace que los resultados nunca sean iguales entre dos túneles
diferentes.
-Gradientes de presión adversos como los que se generan en cuerpos gruesos,
penetran por atrás el flujo y a medida que se desplazan hacia delante lo
"arrancan".
-Calentamiento de la superficie por el fluido, asociado y derivado del concepto
de entropía, si la superficie de contacto está muy caliente, transmitirá esa
energía al fluido y si esta transferencia es lo suficientemente grande se pasará a
flujo turbulento.

19. NÚMERO DE REYNOLDS
• El efecto de la viscosidad en relación con la inercia puede
representarse mediante el número de Reynolds, si se usa como
longitud característica el radio hidráulico, el número de Reynolds es:
Estado de flujo Valores límite
Flujo laminar Re<500
Flujo turbulento Re>1000
Flujo transitorio 500<Re<1000

20. • El régimen de flujo en canales es usualmente turbulento.
• El número de Reynolds es un parámetro adimensional cuyo valor es idéntico
independientemente del sistema de unidades, siempre y cuando las unidades utilizadas
sean consistentes.
Estado de flujo Valores límite
Flujo laminar Re<500
Flujo turbulento Re>12500*
Flujo transitorio 500<Re<12500*
• Debe aclararse que en experimentos se ha demostrado que el régimen de flujo
puede cambiar de laminar a turbulento con valores entre 500 y 12500 cuando
se ha trabajado con el radio hidráulico como longitud característica, por lo que
algunos aceptan los siguientes límites:
*El límite superior no está
definido.
• Si se usa como longitud característica un valor de cuatro veces el
radio hidráulico L = 4R
Estado de flujo Valores límite
Flujo laminar Re<2000
Flujo turbulento Re>4000
Flujo transitorio 2000<Re<4000

21. 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 está dada por el número de Froude, definido como:

22. CANAL CON PENDIENTE SUBCRÍTICA
El agua en la zona de transición
aparece ondulante, el flujo es
uniforme en el tramo medio del canal
pero variado en los dos extremos.
CANAL CON PENDIENTE CRÍTICA
La superficie del agua del flujo crítico
es inestable. En el tramo intermedio
pueden ocurrir ondulaciones, pero
en promedio la profundidad es
constante y el flujo puede
considerarse uniforme.
CANAL CON PENDIENTE
SUPERCRÍTICA
La superficie de agua transitoria pasa
del nivel subcrítico al nivel
supercrítico a través de una caída
hidráulica gradual. Después de la
zona de transición el flujo se
aproxima al uniforme.
LPC: línea de profundidad crítica
LPN: línea de profundidad normal

23. 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.

24. Ej.
• Dado un canal de sección transversal trapezoidal con las siguientes características
anchura de la base 4m inclinación de los lados 1 rugosidad de las paredes 0.03,
pendiente del fondo 0.003, altura del agua 1.6m. Flujo volumétrico=6.84m3/s.
Calcular la velocidad en régimen uniforme determinar el valor del número de
Froude comprobar que se satisface el criterio de flujo completamente turbulento.