Flujo en canales abiertos

1.  Laura Melissa Roa
2011-0784

2.  Se define:
Como un sistema de flujo donde la superficie superior
del fluido está expuesta a la atmósfera, como las
canaletas pluviales en los edificios, ríos y corrientes
naturales y los canales construidos para drena fluidos
en forma controlada.

3. El flujo de canales abiertos se clasifica en
varios tipos:
• Flujo estable uniforme.
• Flujo estable variado.
• Flujo inestable variado.
• Flujo que varía con rapidez.
• Flujo que varía en forma gradual.

4. Sección 1
Sección 3
Sección 5
Sección 6
Sección 3Sección 2

5.  Sección 1. El flujo comienza
en un depósito donde el
fluido se encuentra
prácticamente en reposo.
La compuerta de esclusa es
un dispositivo que permite
que el fluido fluya del
depósito por un punto bajo
la superficie. La variación
rápida del flujo ocurre cerca
de la compuerta conforme
el fluido acelera, con lo que
es probable que su
velocidad llegue a ser muy
grande en esa zona.

6. Sección 2. Si el canal, aguas debajo de la
compuerta de esclusa, es relativamente
corto, y si su sección transversal no varía
mucho, entonces ocurre un flujo variado en
forma gradual. Si el canal es prismático y
con longitud suficiente, entonces se
desarrolla un flujo uniforme.
Sección 3. La formación de un salto
hidráulico es un fenómeno curioso del flujo
en canales abiertos. El flujo antes del salto
es muy rápido y de poca profundidad
relativa. En el salto, el flujo se vuelve
turbulento y se disipa una gran cantidad de
energía. Después del salto, la velocidad
del flujo es mucho menor y la profundidad
es mayor.

7. Sección 4. Un vertedor es una obstrucción
que se coloca ante la corriente y que
ocasiona un cambio brusco en la sección
transversal del canal. Los vertedores se
usan como dispositivos de control o para
medir el flujo volumétrico. Es común que el
flujo varíe con rapidez cuando pasa sobre
el vertedor, y forme una “cascada” aguas
debajo de este.
Sección 5. Igual que en la sección 2, si el
canal es prismático el flujo aguas abajo del
vertedor varia en forma gradual, por lo
general.
Sección 6. Una caída hidráulica ocurre
cuando la pendiente del canal se
incrementa en forma repentina con un
Angulo empinado. El flujo acelera por
acción de la gravedad y entonces se da la
variación rápida.

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15. Las formas que se utiliza con más
frecuencia para los canales abiertos
son la circular, rectangular,
trapezoidal, y triangular. La forma
de trapecio s la más popular por
varias razones.

17. El acarreo de un canal sería máximo cuando el
perímetro mojado es mínimo para un área dada. Con
este criterio, encontramos que la forma más eficiente
es el semicírculo, es decir, la sección circular que va
medio llena.

18.  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 adimensional.
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]

19.  El flujo se clasifica como:
* 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.
* Flujo critico es un estado teórico :en corrientes naturales
y representa el punto de transición entre los regímenes
subcrítico y supercrítico.
* 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.

20.  La energía específica en una sección de canal se define como la
energía de agua en cualquier sección de un canal medida con
respecto al fondo de este.

 O, para un canal de pendiente pequeña y =1, la ecuación se
convierte en:
La cual indica que la energía específica es igual a la suma de la
profundidad del agua más la altura de velocidad. Para propósitos de
simplicidad, el siguiente análisis se basará en un canal de pendiente
pequeña. Como V=Q/A, puede escribirse como E=y+Q2/2gA2. Puede
verse que, para una sección de canal y caudal Q determinados, la
energía específica en una sección de canal sólo es función de la
profundidad de flujo.

21.  La curva muestra que, para una energía específica determinada, existen
dos posibles profundidades, la profundidad baja y1 y la profundidad alta y2.
La profundidad baja es al profundidad alterna de la profundidad alta, y
viceversa. En el punto C, la energía específica es mínima. Por consiguiente,
en el estado crítico es claro que las dos profundidades alternas se
convierten en una, la cual es conocida como profundidad crítica yc. Cuando
la profundidad de flujo es mayor que la profundidad crítica, la velocidad de
flujo es menor que la velocidad crítica para un caudal determinado y, por
consiguiente, el flujo es subcrítico.

22.  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 lug ar 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.

23.  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 final y2.

24.  Dos dispositivos que se emplean mucho para medir el
flujo en canales abiertos son los vertedores y los
aforadores. Ambos hacen que el área de la corriente
cambie, lo que a su vez modifica el nivel de la superficie
de fluido. El nivel que resulta, relativo a alguna
característica de los dispositivos, se relaciona con la
cantidad de flujo.
 Un ventedor es una barrera de forma especial que se
instala en un canal abierto, atravez de la cual el fluido
pasa como chorro libre al otro lado de ella.

25.  La medición de la carga se lleva a cabo por medio de
un medidor fijo, denominado medidor estándar, que se
halla incrustado a un lado de la corriente, y cuya
graduación de cero está al nivel de la cresta del
vertedor. También se emplean dispositivos flotadores
que generan una señal que se transmite a un tablero de
control o se graba para tener un registro continuo del
flujo. Se emplean dispositivos electrónicos que son
sensibles a la superficie superior del fluido en
movimiento.

26.  El ventedor rectangular, también llamado vertedor
suprimido, tiene una cresta de longitud L que se
extiende a todo ancho del canal en el que se halla
instalado.
 El vertedor cipolle también esta contraído respecto
de los lados de la corriente, es una distancia de al
menos 2Hmax y tiene sus lados con pendiente hacia
a fuera.
 El vertedor triangular se emplea sobre todo para
abajos flujos volumétricos porque la ranura en forma
de V produce una carga H más grande, que puede
obtenerse con una ranura rectangular.

27. Problemas modelos

28. Problemas Modelos

29. Problema Modelo

31. Solución
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