- Tipos de
flujo - Canales abiertos y sus
propiedades - Geometría del
canal. - Distribución de
velocidades en una sección
transversal - Principios de energía y
momemtum - Preguntas relacionadas con el
fenómeno
El flujo de agua en un
conducto puede ser flujo en canal abierto o flujo en
tubería. Estas dos clases de flujos son similares en
diferentes en muchos aspectos, pero estos se diferencian en un
aspecto importante.
El flujo en canal abierto debe tener una superficie
libre, en tanto que el flujo en tubería no la tiene,
debido a que en este caso el agua debe
llenar completamente el conducto.
Las condiciones de flujo en canales abiertos se
complican por el hecho de que la composición de la
superficie libre puede cambiar con el tiempo y con el
espacio, y también por el hecho de que la profundidad de
flujo el caudal y las pendientes del fondo del canal y la
superficie libre son interdependientes.
En estas la sección transversal del flujo, es
fija debida a que esta completamente definida por la geometría
del conducto. La sección transversal de una tubería
por lo general es circular, en tanto que la de un canal abierto
puede ser de cualquier forma desde circular hasta las formas
irregulares en ríos. Además, la rugosidad en un
canal abierto varia con la posición de una superficie
libre. Por consiguiente la selección
de los coeficientes de fricción implica una mayor
incertidumbre para el caso de canales abiertos que para del de
tuberías, en general, el tratamiento del flujo en canales
abiertos es mas mas que el correspondiente a flujo en
tuberías. El flujo en un conducto cerrado no es
necesariamente flujo en tuberías si tiene una superficie
libre, puede clasificarse como flujo en canal abierto.
El flujo en canales abierto puede clasificarse en muchos
tipos y distribuirse de diferentes maneras. La siguiente
clasificación se hace de acuerdo con el cambio en la
profundidad del flujo con respecto al tiempo y al
espacio.
FLUJO PERMANENTE Y NO PERMANENTE: tiempo como criterio.
Se dice que el flujo en un canal abierto es permanente si la
profundidad del flujo no cambia o puede suponerse constante
durante el intervalo de tiempo en
consideración.
EL FLUJO ES NO PERMANENTE si la profundidad no cambia
con el tiempo. En la mayor parte de canales abiertos es necesario
estudiar el comportamiento
del flujo solo bajo condiciones permanentes. Sin embargo el
cambio en la
condición del flujo con respecto al tiempo es importante,
el flujo debe tratarse como no permante, el nivel de flujo cambia
de manera instantánea a medida que las ondas pasan y el
elemento tiempo se vuelve de vital importancia para el diseño
de estructuras de
control. Para
cualquier flujo, el caudal Q en una sección del canal se
expresa por Q=VA. Donde V es la velocidad
media y A es el área de la sección transversal de
flujo perpendicular a la dirección de este, debido a que la velocidad
media esta definida como el caudal divido por el área de
la sección transversal.
FLUJO UNIFORME Y FLUJO VARIADO: espacio como criterio.
Se dice que el flujo en canales abiertos es uniforme si la
profundidad del flujo es la misma en cada sección del
canal. Un flujo UNIFORME puede ser permanente o no permanente,
según cambie o no la profundidad con respecto al tiempo.
El flujo uniforme permanente es el tipo de flujo fundamental que
se considera en la hidráulica de canales abiertos. La
profundidad del flujo no cambia durante el intervalo de tiempo
bajo consideración. El establecimiento de un flujo
uniforme no permanente requeriría que la superficie del
agua fluctuara
de un tiempo a otro pero permaneciendo paralela al fondo del
canal.
El flujo es VARIADO si la profundidad de flujo cambia a
lo largo del canal. El flujo VARIADO PUEDE SER PERMANENTE O NO
PERMANENTE es poco frecuente, el termino "FLUJO NO PERMANENTE" se
utilizara de aquí en adelante para designar exclusivamente
el flujo variado no permanente.
El flujo variado puede clasificarse además como
rápidamente varia o gradualmente variado. El flujo es
rápidamente variado si la profundidad del agua cambia de
manera abrupta en distancias compartidamente cortas; de otro
modo, es gradualmente variado. Un flujo rápidamente
variado también se conoce como fenómeno local;
algunos ejemplos son el resalto hidráulico y la
caída hidráulica.
A.- flujo permanente
1) flujo uniforme
2) flujo variado
a) flujo gradualmente variado
b) flujo rápidamente variado
B.- flujo no permanente
1) flujo uniforme no permanente "raro"
2) flujo no permanente (es decir, flujo variado no
permanente)
a) flujo gradualmente variado no permanente
b) flujo rápidamente variado no
permanente
ESTADO DE FLUJO. El estado o
comportamiento
del flujo en canales abiertos esta gobernado básicamente
por los efectos de viscosidad y
gravedad con relación con las fuerzas inerciales del
flujo.
EFECTO DE VISCOSIDAD. El
flujo puede ser laminar, turbulento o transaccional según
el efecto de la viscosidad en relación de la
inercia.
EL FLUJO ES LAMINAR: si las fuerzas viscosas son muy
fuertes en relación con las fuerzas inerciales, de tal
manera que la viscosidad juega con un papel muy
importante en determinar el comportamiento del flujo. En el flujo
laminar, las partículas de agua se mueven en trayectorias
suaves definidas o en líneas de corriente, y las capas de
fluido con espesor infinitesimal parecen deslizarse sobre capas
adyacentes.
EFECTO DE LA GRAVEDAD. El efecto de la gravedad sobre el
estado del
flujo representa por relación por las fuerzas inerciales y
las fuerzas gravitacionales.
REGIMENES DE FLUJO: en un canal el efecto combinado de
la viscosidad y la gravedad puede producir cualquiera de 4
regimenes de flujo, los cuales son:
- subcritico-laminar
- súper critico-laminar
- subcritico-turbulento
- supercrítico-turbulento
CANALES ABIERTOS Y SUS PROPIEDADES
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.
Los canales artificiales son aquellos construidos o
desarrollados mediante el esfuerzo humano: canales de
navegación, canales de centrales hidroeléctricas,
canales y canaletas de irrigación, cunetas de drenaje,
vertederos, canales de desborde, canaletas de madera,
cunetas a lo largo de carreteras etc…, así como canales
de modelos de
laboratorio
con propósitos experimentales las propiedades
hidráulicas de estos canales pueden ser controladas hasta
un nivel deseado o diseñadas para cumplir unos requisitos
determinados.
La aplicación de las teorías
hidráulicas a canales artificiales producirán, por
tanto, resultados bastantes similares a las condiciones reales y,
por consiguiente, son razonablemente exactos para
propósitos prácticos de diseños.
La canaleta es un canal de madera, de
metal, de concreto de
mampostería, a menudo soportado en o sobre la superficie
del terreno para conducir el agua a través de un de una
depresión. La alcantarilla que fluye
parcialmente llena, es un canal cubierto con una longitud
compartidamente corta instalado para drenar el agua a
través de terraplenes de carreteras o de vías
férreas. El túnel con flujo a superficie libre es
un canal compartidamente largo, utilizado para conducir el agua a
través de una colina o a cualquier obstrucción del
terreno.
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.
LOS ELEMENTOS GEOMETRICOS DE UNA SECCION DE UN
CANAL:
Los elementos geométricos son propiedades de una
sección de canal que pueden ser definidos por completo por
la geometría
de la sección y la profundidad del flujo. Estos elementos
son muy importantes y se utilizan con la amplitud del
flujo.
Para la cual existen diferentes formulas:
R= A/P
Donde R es el radio
hidráulico en relación al área mojada con
respecto su perímetro mojado.
D= A/T
La profundidad hidráulica D es relación
entre el área mojada y el ancho de la
superficie.
DISTRIBUCION DE
VELOCIDADES EN UNA SECCION TRANSVERSAL:
Debido a la esencia de la superficie libere y a la
fricción a lo largo de las paredes del canal, las
losidades en un canal no están del todo distribuidas en su
sección. La máxima velocidad medida en canales
normales a menudo ocurre por debajo de la superficie libre a una
distancia de 0.05 a 0.25 de la profundidad; cuanto mas cercas
estén las bancas mas profundo se encuentra este
máximo.
La distribución de secciones de un canal
depende también de otros factores, como una forma inusual
de la sección, la rugosidad del canal y la presencia de
curcas, en una corriente ancha, rápida y poco profunda o
en un canal muy liso la velocidad máxima por lo general se
encuentra en la superficie libre. La rugosidad del canal causa un
incremento en la curvatura de la curva de distribución vertical de velocidades. En
una curva la velocidad se incremente de manera sustancial en el
lado convexo, debido a la acción centrifuga del flujo.
Contrario a la creencia usual, el viento en la superficie tiene
muy poco efecto en la distribución de
velocidades.
CANALES ABIERTOS ANCHOS.
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.
DISTRIBUCION DE PRESION EN UNA SECCION DE
CANAL:
La presión en
cualquier punto de la sección transversal del flujo en un
canal con pendiente baja puede medirse por medio de la altura de
la columna de agua en un tubo piezometrito instalado en el
punto.
Al no considerar las pequeñas perturbaciones
debidas a la turbulencia, etc… Es claro que el Agua de subir
desde el punto de medición hasta la línea de gradiente
hidráulico o superficie del agua.
En efecto la aplicación de la ley
hidrostática a la distribución de presiones en la
sección transversal es valida solo si los filamentos del
flujo no tienen componentes de aceleración en el plano de
la sección transversal. Este tipo de flujo se conoce
teóricamente como FLUJO PARALELO es decir, aquel cuyas
líneas de corriente no tienen curvatura sustancial ni
divergencia.
EFECTO DE LA PENDIENTE EN LA DISTRIBUCION DE
PRESIONES.
Con referencia a un canal inclinado, recto de ancho
unitario y Angulo de pendiente 0, el peso del elemento agua
sombreado de longitud dl=wy cos0 de l. La presión
debida a este peso es wy cos" 0 de l. la presión unitaria
es por consiguiente igual a wy= cos0" y la altura 8
es:
h= y cos al cuadrado0
h= d cos 0
donde d= cos0, la profundidad de agua medida
perpendicularmente desde la superficie. Nótese que apartar
de la geometría la ecuación no se aplica de manera
estricta al caso de flujo variado en particular cuando 0 es muy
grande en tanto que la ecuación aun es
aplicable.
En canales de pendiente alta la velocidad de flujo por
lo general es grande y mayor que la velocidad critica. Cuando
esta velocidad alcanza cierta magnitud, el agua atrapara aire, produciendo
un inchamiento de su volumen y un
incremento en la profundidad 9.
PRINCIPIOS DE
ENERGIA Y
MOMEMTUM
ENERGIA DEL FLUJO EN CANALES ABIERTOS: en
hidráulica elemental se sabe que la ENERGIA total
del agua en pies-lb. Por lb. 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 de un flujo gradualmente variado en
canales abiertos.
Por ejemplo, con respecto al plano de referencia, la
altura total H de una sección O que contiene el punto a en
una línea de corriente del flujo de un canal de pendiente
alta puede escribirse como:
H= za + da cos0 + Va al cuadrado/ 2g
Flujo: es el desplazamiento del agua.
Agua: liquido de composición
H2O.
Hidrológica: Relativo a la
hidrología.
Viscosidad: Resistencia que
ofrece un fluido al movimiento
relativo de sus moléculas.
Rugosidad: Calidad de
rugoso.
Laminar: De forma de lámina
Turbulento: 3 fís. [corriente fluida] Que
tiene turbulencias.
Hidroeléctrica: [fenómeno
electroquímico] Que se produce con el concurso del
agua.
Cunetas: 2 Zanja en los lados de un camino, para
recibir las aguas llovedizas.
Canaleta: conducto que recibe y vierte el agua de
los tejados.
Presión: Fuerza
ejercida sobre la unidad de superficie de un cuerpo por un
gas, un
líquido o un sólido
Convexo: Que tiene, respecto del que mira, la
superficie más prominente en el medio que en los
extremos.
Terraplén: Desnivel en el terreno con una
cierta pendiente.
Uniforme: Que tiene la misma forma, manera de
ser, intensidad, etc
Variado: Que tiene variedad.
Sequias: Tiempo seco de larga
duración.
PREGUNTAS
RELACIONADAS CON EL FENOMENO:
Flujo de agua en canales abiertos.
1.- ¿Cómo se da el flujo a
través de los canales?
2.- ¿Por qué se da el
flujo?
3.- ¿Qué tipo de movimiento
presenta el flujo?
4.- ¿Qué tipo de flujo
existen?
5.- ¿Cómo es la velocidad del
flujo?
6.- ¿en que tipo de canal se da mejor el
flujo?
7.- ¿Qué influencia tiene la gravedad y
la viscosidad en el flujo del canal?
8.- ¿en donde termina el flujo?
9.- ¿Cómo se clasifican los
flujos?
10.- ¿Cómo es que se comporta el
flujo?
11.- ¿Cuándo un flujo es
laminar?
12.- ¿Cómo actúa la
energía en el flujo del canal?
13.- ¿Cómo se distribuye los efectos de
presión?
14.- ¿Cuáles son los tipos de canales
artificiales y naturales?
15.- ¿Cómo se mide la velocidad del
canal?
16.- ¿Cuáles son los elementos
geométricos de un canal?
17.- ¿Qué importancia tiene la
hidráulica en el flujo de agua en canales?
oscar chaves ss