Canales Abiertos y Vertederos Hidraulicos

8/18/2019 Canales Abiertos y Vertederos Hidraulicos

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Canales abiertos

Un canal abierto es un sistema de fujo donde la supercie superiordel fuido está expuesta a la atmósera. Algunos ejemplos son lascanaletas pluviales en los edicios, drenes pluviales, ríos y corrientes

naturales y los canales construidos para drenar fuidos en ormacontrolada. l análisis de los canales abiertos re!uiere t"cnicasespeciales algo dierentes de las !ue #a utili$ado para anali$ar el fujoen tubos y tuberías.

n la naturale$a #ay muc#os ejemplos de canales abiertos, así comoen los sistemas dise%ados para suministrar agua a las comunidades odrenar el agua !ue generan las tormentas y eliminarla en ormasegura. &os ríos y corrientes son ejemplos obvios de canalesnaturales. &as canaletas pluviales en los edicios y los costados de lascalles conducen agua pluvial. &os colectores pluviales, por lo generalbajo la vía p'blica, re'nen la corriente de las calles y la conducen auna corriente o a un canal más grande construido por el #ombre. nla industria, es recuente !ue se emplee canales abiertos paraconducir el agua de enriamiento o los rerigerantes de losintercambiadores de calor y llevarla lejos de los sistemas dema!uinado.

Clasifcación

Flujo estable uniorme en un canal abierto

l fujo en canales abiertos se clasica en varios tipos.

l ujo estable uniorme ocurre cuando el fujo volum"trico (!ue enel análisis del fujo en canales abiertos es com'n llamar descarga)permanece constante en la sección de inter"s y la proundidad delfuido en el canal no varía. *ara lograr el fujo estable uniorme, lasección transversal del canal no debe cambiar a lo largo de sulongitud.Un canal así recibe el nombre de prismático

l ujo estable variado ocurre cuando la descarga permanece

constante, pero la proundidad del fuido varía a lo largo de la secciónde inter"s. sto sucede si el canal no es prismático.

l ujo inestable variado tiene lugar cuando la descarga cambiacon el tiempo, lo !ue origina modicaciones en la proundidad delfuido a lo largo de la sección de inter"s, sea el canal prismático o no.A su ve$, el fujo variado se clasica en fujo !ue varía con rapide$ ofujo !ue varía en orma gradual. +omo su nombre lo dice, ladierencia estriba en la tasa de cambio de la proundidad seg'n ellugar del canal.


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&a gura ilustra una serie de condiciones en !ue ocurre un fujovariado. l análisis siguiente describe el fujo en las distintas partesde esta gura.

• Sección 1 l fujo comien$a en un depósito donde el fuido se

encuentra prácticamente en reposo. &a compuerta de esclusaes un dispositivo !ue permite !ue el fuido fuya del depósitopor un punto bajo la supercie. &a variación rápida del fujoocurre cerca de la compuerta conorme el fuido acelera, con lo!ue es probable !ue su velocidad llegue a ser muy grande enesa $ona.

• Sección 2 i el canal, aguas abajo de la compuerta deesclusa, es relativamente corto y si su sección transversal no

varía muc#o, entonces ocurre un fujo variado en ormagradual. i el canal es prismático y con longitud suciente,entonces se desarrolla un fujo uniorme. ,

• Sección 3 &a ormación de un salto hidráulico es unenómeno curioso del fujo en canales abiertos. l fujo antes delsalto es muy rápido y de poca proundidad relativa. n el salto,el fujo se vuelve muy turbulento y se disipa una gran cantidadde energía. -espu"s del salto, la velocidad del fujo es muc#omenor y la proundidad es mayor. ás adelante se abundará enel salto #idráulico.

• Sección 4 Un vertedor es una obstrucción !ue se coloca antela corriente y !ue ocasiona un cambio brusco en la seccióntransversal del canal. &os vertedores se usan como dispositivosde control o para medir el fujo volum"trico. s com'n !ue elfujo varíe con rapide$ cuando pasa sobre el vertedor, y ormeuna cascada (llamada napa) aguas abajo de "ste.

• Sección /gual !ue en la sección 0, si el canal es prismático elfujo aguas abajo del vertedor varía en orma gradual, por lo

general.

• Sección ! Una ca"da hidráulica ocurre cuando la pendientedel canal se incrementa en orma repentina con un ánguloempinado. l fujo acelera por acción de la gravedad y entoncesse da la variación rápida.

#$%&' (&%#)U*&C'

&a dimensión característica de los canales abiertos es el radio

#idráulico, denido como la relación del área transversal neta de una


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corriente al perímetro mojado de la sección. s decir, &a unidad de Res el metro, en el /, y el pie en el istema /ngl"s.n el cálculo del radio #idráulico, el área de la sección transversaldebe ser evidente a partir de la geometría de la sección. Al perímetromojado se le dene como la suma de la longitud de las ronteras

sólidas de la sección !ue entran en contacto con el fuido (es decir,"ste las moja). el perímetro mojado * para las secciones ilustradas.e observa una línea puntea a adyacente a las ronteras !ue ormanel perímetro mojado. 1bserve !ue la longitud e la supercie libre deun canal abierto no están incluidas en el *.

+,#-,%,#'S.

Un vertedero es un di!ue o pared !ue intercepta una corriente de unlí!uido con supercie libre, causando una elevación del nivel del

fuido aguas arriba de la misma. &os vertederos se emplean bien paracontrolar ese nivel, es decir, mantener un nivel aguas arriba !ue noexceda un valor límite, o bien para medir el caudal circulante por uncanal. +omo vertedero de medida, el caudal depende de la altura dela supercie libre del canal aguas arriba, además de depender de lageometría2 por ello, un vertedero resulta un medidor sencillo peroeectivo de caudal en canales abiertos.

3ue 4. *oleni, !uien consideró el vertedero como un gran n'mero de

oricios continuos, y de este modo trato de calcular tanto el vertederocompleto con salida al aire libre, como el incompleto o sumergido, enel !ue una parte del derrame tiene lugar bajo una lámina de agua(llamado por dic#o autor motusmixtus).

-,#/&0'*'&$.

5 l borde superior se denomina cresta, pared o umbral.

5 &os bordes verticales constituyen las caras del vertedero.

5 &a carga del vertedor, 6, es la altura alcan$ada por el agua, apartir de la cresta del vertedor.

5 &os niveles a ambos lados del vertedor se llaman niveles,7aguas arriba8 y 7aguas abajo8, respectivamente.

-ebido a la depresión de la lámina vertiente junto al vertedor la carga6 debe ser medida aguas arriba, a una distancia aproximadamente

igual o superior a 96.


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US' %, *'S +,#-,%,#'S.

&os vertederos se usan conjuntamente con las compuertas para

mantener un río navegable o para proveer del nivel necesario a lanavegación. n este caso, el vertedero está construidosignicativamente más largo !ue el anc#o del río, ormando una :U: o#aciendo diagonales, perpendicularmente al paso. -ado !ue elvertedero es la parte donde el agua se desborda, un vertedero largopermite pasar una mayor cantidad de agua con un pe!ue%oincremento en la proundidad de derrame. sto se #ace con el n deminimi$ar las fuctuaciones en el nivel de río aguas arriba.

e utili$an como instrumentos de medición de caudales más antiguos,simples y conables para medir el fujo del agua en un canal si sedispone de suciente caída y la cantidad de agua a medir no es muy

grande. &os vertederos son instrumentos eectivos de mediciónpor!ue si tienen un tama%o y orma determinados en condiciones defujo libre y r"gimen permanente, existe una relación denida entre laorma de la abertura determina el nombre de vertedero.

-ebido a !ue un vertedero incrementa el contenido en oxígeno delagua !ue pasa sobre la cresta, puede generar un eecto ben"co enla ecología local del río. Una represa reduce articialmente lavelocidad del agua, lo !ue puede incrementar los procesos desedimentación, aguas arriba2 y un incremento de la capacidad deerosión aguas abajo. &a represa donde se sit'a el vertedero, al crearun desnivel, representa una barrera para los peces migratorios, !ueno pueden saltar de niveles.

C*$S&F&C$C&'0.

Aceptando las más variadas ormas y disposiciones, los vertederospresentan los más diversos comportamientos, siendo muc#os los

actores !ue pueden servir de base para su clasicación, entre estosestán;

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Humber_Weir.JPG


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U 31


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1 incompletos o a#ogados, en estos el nivel de aguas abajo essuperior al de la cresta, pJH p, en los vertedores a#ogadosel caudal disminuye a medida !ue aumenta la sumersión.

,* ,S,S'# %, *$ $#,%.

eg'n el espesor de la pared los vertedores se clasican en;

Fertedores de pared delgada; &a descarga se eect'a sobre una placacon perl de cual!uier orma, pero con arista aguda.

Fertedores de pared gruesa; la cresta es sucientemente gruesa para!ue en la vena ad#erente se estable$ca el paralelismo de los letes.

*$ *'0&-U% %, *$ C#,S-$.

*ueden ser vertedores sin contracciones laterales (&KG), cuando lalongitud de la cresta es igual al anc#o del canal y vertedores concontracciones laterales (&LG), la longitud & es menor !ue el anc#o delcanal de acceso.

F&0$*&%$%,S %, *'S +,#-,%,#'S.

iene varias nalidades entre las !ue se destaca;

4aranti$ar la seguridad de la estructura #idráulica, al no permitir laelevación del nivel, aguas arriba, por encima del nivel máximo (MApor sus siglas Mivel de Aguas áximas xtraordinarias) (ver; mbalse)

4aranti$ar un nivel con poca variación en un canal de riego, aguasarriba. ste tipo de vertedero se llama :pico de pato: por su orma

+onstituirse en una parte de una sección de aoro del río o arroyo.

-isipar la energía para !ue la devolución al cauce natural no produ$ca

da%os. sto se #ace mediante saltos, trampolines o cuencos.

n una presa se denomina vertedero a la parte de la estructura !uepermite la evacuación de las aguas, ya sea en orma #abitual o paracontrolar el nivel del reservorio de agua.

4eneralmente se descargan las aguas próximas a la supercie libredel embalse, en contraposición de la descarga de ondo, la !uepermite la salida controlada de aguas de los estratos proundos delembalse.


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Sen la orma eom5trica del contorno de a6ertura7 6uedendistinuirse vertederos.


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Fertederos triangulares; *ara medir pe!ue%os gastos, el vertederotriangular es más preciso !ue el rectangular, puesto !ue, para unmismo caudal, los valores de # son mayores.

+onsid"rese la gura siguiente, en donde se es!uemati$a el fujo atrav"s de un vertedero triangular, sim"trico y de pared delgada, conun ángulo 0 en el v"rtice de la escotada.

Aplicando la ecuación de Gernoulli para una línea de corriente entrelos puntos = y D, de la gura 0, se tiene;


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i F=0N0g, es despreciable, la velocidad en cual!uier punto de lasección D vale;

l gasto a trav"s del área elemental, de la gura 0, es entonces;

-onde m considera el eecto de contracción de la laminavertiente

l gasto total vale;

Oue seria la ecuación general del gasto para un vertedor de pareddelgada, la cual es posible integrar si se conoce la orma delvertedor. n la deducción de la ormula se omitió la perdida deenergía !ue se considera incluida en el coeciente m,, se supuso !uelas velocidades en la sección D tienen dirección #ori$ontal y condistribución parabólica, y por otra parte al aplicar Gernoulli entre lospuntos = y D se supuso una distribución #idrostática de presiones.


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8&8*&'#$F&$.

• 1&1 PF/&A, 4ilberto. 6/-


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&0-#'%UCC&90

l vertedero #idráulico o aliviadero es una estructura #idráulicadestinada a permitir el pase, libre o controlado, del agua en losescurrimientos superciales2 siendo el aliviadero en exclusiva para eldesagWe y no para la medición. xisten diversos tipos seg'n la ormay uso !ue se #aga de ellos, a veces de orma controlada y otras vecescomo medida de seguridad en caso de tormentas en presas.

e conoce !ue los sistemas de canales abiertos se dise%an conel n de trasportar lí!uidos desde un lugar determinado #asta otrocon una altura de cota menor a la inicial, manteniendo un caudal ouna ra$ón de fujo constante bajo la infuencia de la gravedad almenor precio posible. n ingeniería se denomina canal a unaconstrucción destinada al transporte de fuidos generalmenteutili$ada para agua y !ue, a dierencia de las tuberías, es abierta a laatmósera. ambi"n se utili$an como vías articiales de navegación.&a descripción del comportamiento #idráulico de los canales es una

parte undamental de la #idráulica y su dise%o pertenece al campo dela ingeniería #idráulica, una de las especialidades de la ingeniería


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civil. +uando un fuido es transportado por una tubería parcialmentellena, se dice !ue cuenta con una cara a la atmósera, por lo tanto secomporta como un canal.

n el presente trabajo #ablaremos sobre esto y un poco mas devertederos y canales abiertos.

C'0C*US&90

Aceptando las más variadas ormas y disposiciones, losvertederos presentan los más diversos comportamientos. &osvertederos son utili$ados, intensiva y satisactoriamente, en lamedición del caudal de pe!ue%os cursos de agua y conductos libres,así como en el control del fujo en galerías y canales.

l fujo de canales abiertos tiene lugar cuando los lí!uidosfuyen por la acción de la gravedad y solo están parcialmenteenvueltos por un contorno sólido. n el fujo de canales abiertos, ellí!uido !ue fuye tiene supercie libre y sobre "l no act'a otra presión!ue la debida a su propio peso y a la presión atmos"rica. l fujo encanales abiertos tambi"n tiene lugar en la naturale$a, como en ríos,arroyos, etc., si bien en general, con secciones rectas del cauceirregulares. -e orma articial, creadas por el #ombre, tiene lugar en

los canales, ace!uias, y canales de desagWe. n la mayoría de loscasos. &os canales tienen secciones rectas regulares y suelen ser


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ANEXOS:


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