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:
1. subcritico-laminar
2. súper
critico-laminar
3. subcritico-turbulento
4. supercrítico-turbulento
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.
Debido a la esencia de la superficie libere y a la
fricción a lo largo de las paredes del canal, las velocidades 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; cuantas más cercas estén las bancas
más 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 más
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 piezómetro
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 válida 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 hinchamiento de su volumen y
un incremento en la profundidad 9.
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.
Leandro Quinchoa
CI. 23.885.271
Leandro Quinchoa
CI. 23.885.271
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