Hidraulica de-canales flujo uniforme y critico

1. CONSIDERACIONES GENERALES
Los procesos de erosión, sedimentación y transporte (de
sedimentos, solutos y nutrientes) están condicionados por las
características hidráulicas del flujo en los cauces naturales. Por
esta razón el estudio de estos procesos requiere un
entendimiento total de la hidráulica de los canales abiertos.
Fuente: Chanson.
Hidráulica Aplicada – Hidráulica de Canales Ing. Harry Alejandro Pineda Padilla
2

3
Característica del flujo en canales abierto
• El flujo es causado por la simple acción de la gravedad.
• La sección transversal puede variar a lo largo del recorrido
del canal
• El perímetro de la sección transversal que ocupa el agua
dispone de una superficie libre o lámina de agua en
contacto con la atmósfera, y un perímetro mojado en
contacto con la superficie del canal.

4
Tipos y Geometría de un canal
Artificiales:
Son aquellos construidos por el hombre, presentan secciones
transversales regulares que nos permiten expresar sus
relaciones geométricas de forma simple.
Talud
Lamina de agua
Solera o fondo

5
Naturales:
ríos, torrentes, arroyos, etc., tienen sección transversal
irregular y variable, por lo que se precisan, para
representar las relaciones geométricas y ecuaciones
complejas de la sección.

2. CARACTERÍSTICAS GEOMÉTRICAS
Básicos
• Profundidad del flujo (y): • Área (A):
6

Básicos
• Perímetro mojado (Pm):• Ancho superficial (T):
7

Derivados
• Radio Hidráulico (Rh):
• Profundidad hidráulica (Dh):
h
m
A
R
P

h
A
D
T

• Factor de sección para flujo uniforme:
• Factor de sección para flujo crítico (Z): hZ A D
2
3
hAR
8

9
Resumen de secciones mas usadas

3. ECUACIONES BÁSICAS
Flujo permanente e incompresible
   
0
CS
Salida Entrada
U A
U A U A

 



0
C CS
d U dA
t
 


  
  
1 1 2 2Q U A U A 
Conservación de masa
10

Conservación de energía
Fuente:
Chow, 1994.
11

C CS
dE
ed eU dA Q W
dt t
 


    
  
2 2
1 2
2 2 e
U U
y z y z h
g g
 
   
        
      
Conservación de energía
Para flujo permanente e incompresible
12

 C
C C
Externas
S
F U d U U dA
t
  


  

  
 2 1
C
ExternasF Q U U
 
Conservación de momentum
Para flujo permanente e incompresible
13

4. CLASIFICACIÓN DE LOS FLUJOS
Criterio tiempo
Depende del criterio utilizado.
Permanentes
Criterio espacio
Uniformes
0
u
t



0
u
t



0
u
s



0
u
s



FGV
FEV
FRV
No Uniformes
No permanentes
14

15

4. CLASIFICACIÓN DE LOS FLUJOS
Criterio viscosidad
Laminar
Turbulento
Re 2000
Re 4000
Re= Número de Reynolds
Re
U D


Osborne
Reynolds
Fuente: Nakayama, 1999.
16

Según el número de Froude
Subcrítico
Crítico
Supercrítico
1F 
1F 
1F 
h
U
F
gD
 Número de Froude
5. REGÍMENES DE FLUJO
17

Energía específica
2
2
2
Q
E y
gA
 
Fuente: Akan, 2006.
18

Energía específica
2
3
1
dE Q dA
dy gA dy
  
La energía específica será mínima cuando
esta derivada sea igual a cero.
dA Tdy
2
2
2
Q
E y
gA
 
2
1
U T
gA

2
1
dE U dA
dy gA dy
  
19

Es un flujo permanente, en el cual las fuerzas que lo
producen son las mismas fuerzas que lo resisten, es decir
que se presenta un equilibrio de fuerzas (inercia y fricción).
Definición
1. INTRODUCCIÓN
Una gran variedad de problemas de hidráulica fluvial
ocurren bajo condiciones de flujo uniforme, o pueden
resolverse por similitud con situaciones simples del mismo.
Aplicación
Hidráulica Aplicada – Flujo Uniforme Ing. Harry Alejandro Pineda Padilla
21

Para el análisis que se realizará se supone un canal con
cualquier sección transversal y pendiente S0, tal como se
presenta en la siguiente figura:
L
dy
Umáx
U=f(y)
Us
y
F
W
W Sen
f
O
OS
Yn
2. ECUACIONES FUNDAMENTALES
22

Si se realiza un análisis de las fuerzas que actúan sobre un
diferencial de fluido se obtiene que:
0FF W Sen  
o h oR S 
0s sF ma 
o
m
A
Sen
P
  
FF W Sen
o mP L Sen AL Sen      
23

De forma empírica también se ha demostrado que el esfuerzo
de corte puede expresarse como:
Coeficiente de fricción
2
2o
U
 
Donde:
Esfuerzo de corte (N/m²)
Coeficiente de ficción
Velocidad media en la tubería (m/s)
Densidad del fluido (kg/m³)
0
U







24

En esta ecuación el factor de fricción, f, se expresa como
cuatro veces el coeficiente de fricción:
Ecuación de Darcy-Weisbach
2
4 2h o
f U
R S

 
4f 
2
4 4 2
fhD f U
g
L

 
2
2f
L U
h f
D g
 0
8
h
g
U R S
f

25

Variación de f (Diagrama de Moody)
Para
tuberías
Fuente:
Simons y Sentürk, 1992.
26

Para
canales
Fuente:
Simons y Sentürk, 1992.
Variación de f (Diagrama de Moody)
27

En esta ecuación el factor de fricción, C, se expresa como:
Ecuación de Chezy (1775)
2
2
2
2h o
g U
R S
C

 
2g
C


0hU C R S
2
2
2
2h o
g U
g R S
C

 
28

Esta ecuación es de tipo empírico y surgió como una
modificación de la ecuación de Chezy, desarrollada por Robert
Manning a partir de experimentación:
Ecuación de Manning (1889)
2 1
3 2
1
h oU R S
n

1
6
hR
C
n

Las relaciones entre estos coeficientes de resistencia o de
fricción son:
8g
C
f

29

Fuente: Simons y Sentürk, 1992.
30

• Ganguillet y Kutter (1869):
• Pavlovski (1925):
• Strickler (1923):
0
0
1 0,00155
23
0,00155
1 23
h
m S
C
m
S R
 

 
  
 
1 x
hC R
n

2,5 0,13 0,75 0,1hx n R n     
Cálculo del factor de fricción, n
1
6
50
21,1
D
n 
31

• Meyer-Peter y Müller (1948):
• Lane y Carlson (1953):
• FHWA (1975):
• Tablas
• Otros
1
6
90
26
D
n 
1
6
75
21,1
D
n 
 
1
6
50 500,0395n D D en ft
32

Fuente:
Chang, 1998.
33

Fuente: Verified Roughness Characteristics of Natural Channels, USGS.
n=0,024 n=0,028
34

n=0,030 n=0,032
35

n=0,033 n=0,036
36

n=0,037 n=0,038
37

n=0,041 n=0,043
38

n=0,050 n=0,051
39

n=0,057 n=0,060
40

n=0,065 n=0,073
41

n=0,075
42

 
 1
0 6
0 4
2
2 1
.
.
i
i
i
N
O
N
N
Q n
b Y m
S
y
b mY
 
  
 
 

Canales trapezoidales
3. PROFUNDIDAD NORMAL (YN)
3 2
8m
A f Q
P gSen

Canales irregulares
2
3
8N
q f
y
gSen

Canales muy anchos
43

n en canales con sección transversal compuesta
• Einstein – Horton:
2
33
2
1
i
N
m i
i
e
T
P n
n
P

 
 
 
 
  

4. SECCIONES COMPUESTAS
Fuente:
Chang, 1998.
44

n en canales con sección transversal compuesta
5
3
5
3
1
i i
T h
e
N
m h
i i
P R
n
P R
n

 
 
 
 

• Pavlovsky:
• Lotter:
1
2
2
1
i
N
m i
i
e
T
P n
n
P

 
 
 
 
  

4. SECCIONES COMPUESTAS
45

Es un estado del flujo en que la energía específica es
mínima para un caudal determinado.
La corriente es inestable y está sujeta a fluctuaciones de la
profundidad del agua.
En las corrientes naturales suelen presentarse flujos casi-
críticos que tiene características especiales que se
estudiarán más adelante.
El estado de flujo crítico está sido definido como la
condición para la cual el número de Froude es igual a la
unidad.
Consideraciones especiales
Definición
1. INTRODUCCIÓN
Hidráulica Fluvial – Flujo Crítico Ing. Harry Alejandro Pineda Padilla
47

Propiedades generales
• El número de Froude es igual a la unidad.
• Para caudal constante la energía específica es mínima.
• La carga de velocidad es igual a la mitad de la profundidad
hidráulica crítica.
• Si la energía específica es constante, para la condición
de flujo crítico el caudal es máximo (propiedad muy útil en
el diseño de secciones de máxima descarga ).
1. INTRODUCCIÓN
48

Canales trapezoidales
 
1
1
32
2 i
i
i
C
C
C
Q
b mY
g
Y
b mY
  
  
  
  
2. PROFUNDIDAD CRÍTICA (YC)
3 2
A Q
T g

Canales irregulares
2
3
2C
Q
y
gb

Canales muy anchos
49

Hidraulica de-canales flujo uniforme y critico

Recomendados

Recomendados

Más contenido relacionado

La actualidad más candente

La actualidad más candente (20)

Similar a Hidraulica de-canales flujo uniforme y critico

Similar a Hidraulica de-canales flujo uniforme y critico (20)

Último

Último (20)

Hidraulica de-canales flujo uniforme y critico