Mecanida de fluidos II, tema compuertas

1. En el siguiente trabajo de hidráulica hablaremos sobre las compuertas hidráulicas las cuales
son unos dispositivos hidráulico - mecánico destinado a regular el pasaje de agua u otro
fluido en una tubería, en un canal, presas, esclusas, obras de derivación u otra estructura
hidráulica. Las compuertas fueron creadas por los europeos pero en nuestro continente los
primeros en utilizarlas fueron los indígenas en Mesoamérica las eran hechas sea con meras
obstrucciones de tierra en los canales, sea como compuertas de cabecera y de desagüe a
manera de puertitas en los canales.
Las aplicaciones que tienen las compuertas son las del control de flujos de aguas, control de
inundaciones, proyectos de irrigación, crear reservas de agua, sistemas de drenaje,
proyectos de aprovechamiento de suelos, plantas de tratamiento de agua, incrementar
capacidad de reserva de las presas entre otras.

2. Las compuertas hidráulicas juegan un papel muy importante ya que nacen de una necesidad
o un problema bien sea social, político, económico en donde su objetivo no es más que
satisfacer nuestras necesidades ya que nos brinda un mejor desarrollo.
En el que hacer de ingenieros sanitarios eingenieros civiles,seincluye diseño de estructuras
hidráulicas que almacén, contengan y transporten fluidos, especialmente agua, por ello es
necesario conocer todos aquellos elementos aplicados para relacionar las propiedades de
los fluidos quietos y en movimiento con herramientas analíticas que nos permitan
dimensionar adecuadamente dichas estructuras, cuantificar los flujos a través de ellos y
enfrentar los fenómenos hidráulicos que el transporte de éstos genere.

3. DEFINICION
Puerta movible que se coloca en las esclusas de los canales y en los portillos de las presas
de río para detener o dejar pasar las aguas.
Las compuertas son equipos mecánicos utilizados para el control del flujo del agua y
mantenimiento en los diferentes proyectos de ingeniería, tales como presas, canales y
proyectos de irrigación. Existen diferentes tipos y pueden tener diferentes clasificaciones,
según su forma, función y su movimiento.
Las diferentes formas de las compuertas dependen de su aplicación, el tipo de compuerta
a utilizar dependerá principalmente del tamaño y forma del orificio, de la cabeza estática,
del espacio disponible, del mecanismo de apertura y de las condiciones particulares de
operación.
FUNCIÓN:
Las diferentes formas de las compuertas dependen de su aplicación, el tipo de compuerta
a utilizar dependerá principalmente del tamaño y forma de la abertura de la carga estática
del espacio disponible, del mecanismo de apertura y de las condiciones particulares.
Algunos casos son:
• Control de flujo de agua
• Control de inundaciones
• Proyectos de irrigación
• Sistemas de drenaje
• Plantas de tratamiento

4. Principales tipos de compuertas
Las compuertas se clasifican según sus usos para obras hidráulicas de gran envergadura,
(canales, presas, esclusas, etc.) y para tuberías.
1) COMPUERTA TIPO TEJADO
La compuerta tipo tejado es un tipo de compuerta hidráulica utilizado
en vertederos de presas. Es operada utilizando el desnivel de agua creado por éstas
y no requiere de equipo mecánico para su operación.
La necesidad de contar con una cámara donde se abate la compuerta hace que el
vertedero no pueda tener la forma óptima, lo que incrementa el volumen
de hormigón del mismo.

5. 2) COMPUERTABASCULANTE
Clapeta o chapaleta puede ser utilizada tanto en la cima del vertedero de una presa
como instalado en el fondo de un río o canal.

6. 3) COMPUERTATIPOCILINDRO
Las compuertas cilíndricas se utilizan para descargas en presión, permitiendo la
colocación de la sección de toma a cualquier profundidad, en un embalse. En el
mismo pozo se pueden disponer tomas de agua a diversas alturas. Se acopla
fácilmente a una tubería de salida.
4) COMPUERTA TIPO ESCLUSA
Tienen bisagras verticales que se accionan por medios mecánicos o por pistones
hidráulicos que permiten el paso de embarcaciones que deben atravesar una
diferencia de niveles pronunciados.

7. 5) COMPUERTATIPOSECTOR
Es una compuerta utilizada en vertederos y presas, es manipulada utilizando el
desnivel de agua creado por estas, no requiere de equipo mecánico para su
operación. La necesidad de contar con una cámara donde se abate la compuerta
hace que el vertedero no pueda tener la forma adecuada, lo que incrementa el
volumen del hormigón del mismo
6) COMPUERTATIPOSTONEY
Son utilizadas para tomas de presión para descargas de fondo o para la toma de
una central hidroeléctrica.

8. 7) COMPUERTATIPOVISERA
Es utilizada en canales navegables y es accionada por un pistón hidráulica o
neumática.
8) COMPUERTAPLANA
Son el tipo de compuertas que tienen propiedades hidráulicas cuando están bien
calibradas, y pueden emplearse como medidores de flujo.

9. PRINCIPIOS HIDRÁULICOS EN COMPUERTAS
Para obtener la ecuación que proporcione el gasto, se considerara el caso más general que
es una compuerta plana con una inclinación de θ respecto a la horizontal y un ancho “b”.
Donde:
. 𝐻 = 𝑦1 +
𝑉1
2
2𝑔
: Carga total aguas arriba de la compuerta.
.
𝑉1
2
2𝑔
: Carga de velocidad con que llega el agua en el canal, aguas arriba.
. 𝑦1 : Tirante aguas arriba de la compuerta.
. 𝑦2 : Tirante de la vena contraída aguas debajo de la compuerta (𝐶 𝐶 𝑎)
.a: abertura de la compuerta.
.b: ancho de la compuerta.
. 𝐶 𝐶 : Coeficiente de contracción.
.L:
𝑎
𝐶 𝑐
longitud desde la compuerta hasta 𝑦2 (sección contraída).
. 𝑦3 : Tirante normal (si las condiciones lo permiten), aguas abajo.
. Δhr: pérdida de carga.

10. - Se establece la ecuación de la energía:
𝐻 = 𝑦1 +
𝑉1
2
2𝑔
= 𝐶 𝐶 𝑎 +
𝑉2
2
2𝑔
………. (1)
- Se establece la ecuación de continuidad:
𝑉1 =
𝐶 𝐶 𝑎
𝑦1
𝑉2………(2)
- Sustituimos ecuación 2 en 1 y obtenemos:
𝑦1 + (
𝐶 𝐶 𝑎
𝑦1
)2
𝑉2
2
2𝑔
= 𝐶 𝐶 𝑎 +
𝑉2
2
2𝑔
VELOCIDAD
Seguimos operando:
𝑉2
2
2𝑔
=
𝑦1 − 𝐶 𝐶 𝑎
1 − (
𝐶 𝐶 𝑎
𝑦1
)2
=
(1 −
𝐶 𝐶 𝑎
𝑦1
)𝑦1
(1 +
𝐶 𝐶 𝑎
𝑦1
)(1−
𝐶 𝐶 𝑎
𝑦1
)
Entonces la velocidad media real en la sección contraída es:
𝑉2 =
𝐶 𝑣
√1 +
𝐶 𝐶 𝑎
𝑦1
√2𝑔𝑦1
Donde 𝐶 𝑣 es el coeficiente de velocidad.

11. EL GASTO
Considerando la expresión básica Q=AV
Donde:
𝑉 =
𝐶 𝑣
√1 +
𝐶 𝐶 𝑎
𝑦1
√2𝑔𝑦1
𝐴 = 𝑏 ∗ 𝐶 𝐶 𝑎
𝐶 𝑑 =
𝐶 𝑣 𝐶 𝐶
√1 +
𝐶 𝐶 𝑎
𝑦1
De lo que tendremos:
𝑄 =
𝐶 𝑣 𝑏 ∗ 𝐶 𝐶 𝑎
√1 +
𝐶 𝐶 𝑎
𝑦1
√2𝑔𝑦1
Por lo tanto:
𝑄 = 𝐶 𝑑 𝑎𝑏√2𝑔𝑦1

12. Flujo a travésdecompuertas
Las compuertas tienen las propiedades hidráulicas de los orificios y, cuando están bien
calibradas, también pueden emplearse como medidores de flujo.
Las condiciones físicas, hidráulicas, climáticas y de operación, evaluadas apropiadamente,
imponen la selección del tipo y tamaño adecuado de las compuertas.
De nuestros calculos anteriores para el gasto obtuvimos:
𝐶 𝑣 =
𝐶 𝑑
𝐶 𝐶
√1 +
𝐶 𝐶 𝑎
𝑦1
Elevando esta expresión al cuadrado obtenemos:
𝐶 𝐶
2
𝐶𝑣
2
= 𝐶 𝑑
2
(1 +
𝐶 𝐶 𝑎
𝑦1
)
𝐶 𝐶
2
− (
𝑎
𝑦1
) (
𝐶 𝑑
𝐶 𝑣
)
2
𝐶 𝐶 − (
𝐶 𝑑
𝐶 𝑣
)
2
= 0
𝐶 𝐶 =
1
2
(
𝑎
𝑦1
) (
𝐶 𝑑
𝐶 𝑣
)
2
± √
1
4
(
𝑎
𝑦1
)
2
(
𝐶 𝑑
𝐶 𝑣
)
4
− (
𝐶 𝑑
𝐶 𝑣
)
2
Y haciendo:
𝐾 =
1
2
(
𝑎
𝑦1
) (
𝐶 𝑑
𝐶 𝑣
)
2
Resulta:
𝐶 𝐶 = 𝑘 ± √ 𝑘2 + (
𝐶 𝑑
𝐶 𝑣
)
2
Los coeficientes Cc, Cv y Cd dependen del número de Reynolds y de las características
geométricas del escurrimiento.
H. Rouse afirma que los valores de Cd para compuertas planas verticales (θ = 90º) son
esencialmente constantes y con ligeras variaciones alrededor de 0.61.

13. COEFICIENTES UTILIZADOS
Coeficiente de contracción: Este coeficiente lo han obtenido experimentalmente
muchos investigadores a través de la geometría del flujo. Para determinar el coeficiente de
contracción se pueden utilizar las siguientes ecuaciones:
𝐶 𝐶 =
𝑎
𝐿
𝐶 𝐶 =
1
2
(
𝑎
𝑦1
) (
𝐶 𝑑
𝐶 𝑣
)
2
+ √
1
4
(
𝑎
𝑦1
)
2
(
𝐶 𝑑
𝐶 𝑣
)
4
+ (
𝐶 𝑑
𝐶 𝑣
)
2
Coeficiente de velocidad: Los investigadores Knapp y Henderson exponen una
comparación interesante de algunos resultados que presentan discrepancias importantes
atribuibles, según Knapp, el grado de agudeza del canto afilado de la compuerta.
Henderson, por el contrario, concluye que esto se debe a la manera como se desarrolla la
capa límite a partir del plano de la compuerta. Con base a las experiencias de estos dos
reconocidos investigadores, Knapp propone una ecuación para calcular el coeficiente de
velocidad en compuertas verticales con descarga libre, en función de la relación
𝑎
𝐻
. Para ser
congruentes con los anteriores desarrollos, se ha modificado la ecuación para que la
dependencia sea con
𝑎
𝑦1
, como se muestra en la siguiente ecuación:
𝐶 𝑣 = 0.960 + 0.0979
𝑎
𝑦1
Tiene como límite superior a 𝐶 𝑣 = 1 para
𝑎
𝑦1
= 0.408
Coeficiente de descarga: Para obtener el valor del caudal real del aforo en el flujo de
compuertas planas el coeficiente de descarga se obtiene de la dependencia de los
coeficientes de contracción y velocidad, y en la siguiente ecuación:
𝐶 𝑑 =
𝐶 𝑣 𝐶 𝐶
√1 +
𝑦2
𝑦1

14. Al terminar lainvestigaciónacercade las compuertas hidráulicas,hemos podido determinar
la importancia y las aplicaciones que tienen las diferentes compuertas aquí, ya explicadas y
representadas en esquemas visuales, además pudimos concluir que las compuertas son
utilizadas mayormente en preseas de gran tamaño, las cuales tienen la función general de
aliviar, mantener o soportar un nivel de agua, dependiendo de la función que se quiera
poner a cumplir tal compuerta, un ejemplo bastante conocido, son las compuertas en el
canalde Panamá, las cuales sonde vitalimportancia en laeconomía mundial, yaque debido
a estas el tiempo de transporte de cargas en barcos, se hace más corto.
Libro consultado:
SOTELO AVILA, Gilberto. Hidráulica General. México: Limusa, 1999. 561 p 561 p.