2. El flujo de canales abiertos tiene lugar cuando los líquidos
fluyen por la acción de la gravedad y solo están parcialmente
envueltos por un contorno sólido. En el flujo de canales
abiertos, el líquido que fluye tiene superficie libre y sobre él no
actúa otra presión que la debida a su propio peso y a la presión
atmosférica. El flujo en canales abiertos también tiene lugar en
la naturaleza, como en ríos, arroyos, etc., si bien en general,
consecuciones rectas del cauce irregulares. De forma artificial,
creadas por el hombre, tiene lugar en los canales, acequias, y
canales de desagüe. En la mayoría de los casos. Los canales
tienen secciones rectas regulares y suelen ser rectangulares,
triangulares o trapezoidales. También tienen lugar el flujo de
canales abiertos en el caso de conductos cerrados, como
tuberías de sección recta circular cuando el flujo no es a
conducto lleno.
Flujo en canales abiertos
3. El conocimiento empírico del funcionamiento de los
canales se remonta a varios milenios. En la antigua
Mesopotamia se usaban canales de riego, en la Roma
Imperial se abastecían de agua a través de canales
construidos sobre inmensos acueductos, y los
habitantes del antiguo Perú construyeron en algunos
lugares de los Andes canales que aún funcionan , Claro
es el Ejemplo de los canales de Cumbe Mayo , el centro
hidráulico más importante de los Andes El conocimiento
y estudio sistemático de los canales se remonta al siglo
XVIII, con Chézy, Bazin y otros.
Heródoto cuenta que los cnidios pueblos de la Caria en
Asia menor emprendieron cortar el istmo que une la isla
de Cnido al continente: pero abandonaron este trabajo
por mandato de un oráculo.
Origen
4. En un canal abierto del flujo en un ducto cerrado. En el
canal existe una superficie libre la cual se encuentra a
una presión constante.
La implicancia fundamental de esta característica
es que el movimiento del fluido se origina en el
peso del fluido (fuerza gravitatoria) y no la
existencia o no de una diferencia de presiones,
como es el caso de un ducto cerrado. La
distribución de presiones en un canal abierto es
por lo general hidroestática, es decir, depende solo
de la profundidad del fluido. Las otras fuerzas de
importancia en el estudio de canales abiertos, son
la fuerza de inercia y la fuerza originada por la
fricción.
5. Clases de canales abiertos. Un canal abierto es un conducto en el
cual el agua, fluye con una superficie libre. De acuerdo con su
origen un canal puede ser natural o artificial.
Los canales NATURALES influyen todos los tipos de agua que existen
de manera natural en la tierra, lo cuales varían en tamaño desde
pequeños arroyuelos en zonas montañosas hasta quebradas,
arroyos, ríos pequeños y grandes, y estuarios de mareas. Las
corrientes subterráneas que transportan agua con una superficie
libre también son consideradas como canales abiertos naturales.
Las propiedades hidráulicas de un canal natural por lo general son
muy irregulares. En algunos casos pueden hacerse suposiciones
empíricas razonablemente consistente en las observaciones y
experiencias reales, de tal modo que las condiciones de flujo en
estos canales se vuelvan manejables mediante tratamiento analítico
de la hidráulica teórica.
Canales abiertos y sus propiedades
6. En hidráulica se sabe que la energía total
del agua en metros-kilogramos por
kilogramos de cualquier línea de corriente
que pasa a través de una sección de canal
puede expresarse como la altura total en
pies de agua, que es igual a la suma de la
elevación por encima del nivel de
referencia, la altura de presión y la altura de
velocidad.
Energía en canales abiertos
7. La energía específica en la sección de un canal se
define como la energía por peso de agua en
cualquier sección de un canal medida con respecto
al fondo del mismo.
La energía específica de una sección de un canal
puede ser expresada como:
Donde:
• d= profundidad a partir de la superficie libre
del líquido o espejo (SSL) hasta la plantilla o
fondo del canal.
• O= ángulo medido a partir de la pendiente del
canal respecto a la horizontal.
Energía especifica
8. La energía específica de una sección de un canal con
pendiente pequeña (θ≈0) puede ser expresada como:
Por tanto, la energía total de una sección de un canal
(con z≠0), puede expresarse como:
9. La línea que representa la elevación de la carga total del
flujo se llama "línea de energía" . La pendiente de esta línea
se define como el "gradiente de energía".
De acuerdo al principio de la conservación de la energía, la
energía total de una sección (A) deberá ser igual a la energía
total en una sección (B), aguas abajo, más las perdidas de
energía entre las dos secciones (hf), para canales con una
pendiente pequeña.
Esta ecuación se llama ecuación de la energía
11. Un canal con una sección transversal invariable y una pendiente de
fondo constante se conoce como canal prismático. De otra manera, el
canal es no prismático; un ejemplo es un vertedero de ancho variable y
alineamiento curvo. Al menos que se indique específicamente los
canales descritos son prismáticos.
El trapecio es la forma mas común para canales con bancas
en tierra sin recubrimiento, debido a que proveen las pendientes
necesarias para la estabilidad.
El rectángulo y el triangulo son casos especiales del trapecio. Debido a
que el rectángulo tiene lados verticales, por lo general se utiliza para
canales construidos para materiales estables, como mampostería,
roca, metal o madera. La sección transversal solo se utiliza para
pequeñas asqueas, cunetas o a lo largo de carreteras y trabajos de
laboratorio. El círculo es la sección más común para alcantarillados y
alcantarillas de tamaño pequeño y mediano.
Geometría del canal
12. Se dice que un flujo es uniforme cuando su velocidad
del flujo en la profundidades constante. En el diseño de
canales abiertos seria ideal que se tuvieran flujos
uniformes por que se tendría un canal con una altura
constante. Se le llama profundidad normal (Yn) a la
profundidad del flujo en flujos uniformes y velocidad de
flujo uniforme V a la velocidad promedio del flujo. Para
que el flujo permanezca uniforme es necesario tener
una pendiente, las sección transversal y su rugosidad en
la superficie no presente ningún cambio y si la
pendiente del fondo aumentase y a su vez aumentase la
velocidad inmediatamente disminuirá su profundidad
Flujo uniforme en canales
abiertos
13. Observaciones hechas en canales muy anchos han mostrado
que la distribución de velocidades en la distribución central
en esencial es la misma que existiría en un canal rectangular
de ancho infinito. En otras palabras bajo esta condición, los
lados del canal no tienen prácticamente ninguna influencia en
la distribución de velocidades en la distribución central y, por
consiguiente el flujo en esta región central puede
considerarse como bidimensional en el análisis hidráulico. LA
MEDICION DE LA VELOCIDAD: la sección transversal del canal
se divide en franjas verticales por medio de un numero de
verticales sucesivas y las velocidades medias en las verticales
se determinan midiendo las velocidades a 0.6 de la
profundidad en cada vertical o tomando las verticales
promedio a 0.2 y a 0.8 de la profundidad cuando se requieren
resultados mas confiables.
Flujo en canales abiertos
Anchos
16. Flujo uniforme. El flujo uniforme, es aquel que tomando como
criterio el espacio, las características hidráulicas no cambian
entre dos secciones separadas una distancia “X”, es decir:
(dv/dx)=0
Flujo no uniforme. Es aquel en el cual las características
hidráulicas cambian entre dos secciones, es decir:
(dv/dx) ≠ 0
Calificacion de flujo
17. Flujo permanente. Es aquel en el que tomando como criterio
el tiempo, las características hidráulicas permanecen
constantes, es decir: (dv/dt) =0
Flujo no permanente. Flujo en el cual las características
hidráulicas cambian en el tiempo(figura 6), es decir:
(dv/dt) ≠ 0
18. Flujo rápidamente variado. Flujo en el cual las características
hidráulicas cambian rápidamente, en un espacio relativamente corto
Flujo gradualmente variado. Flujo en el cual las características
hidráulicas cambian de manera gradual con la longitud.
