HIDRAULICA DE CANALES

Profesor Ing. Vázquez Segovia Bernardo E.

Realizado por: Elvéus Damien

Carrera Ingeniería civil

Semestre Cuarto

San Francisco de Campeche, Camp.

INSTITUTO TECNOLOGIC

Contenido

I. Flujo UniformeA-Generalidades

a) Geometría de canalesb) Distribución de presión c) Distribución de velocidades

B-Características del flujo uniforme

C-Establecimiento del flujo uniforme

Fuentes de información:

Chow Ven Te. Hidráulica de canales abiertos. McGraw Hill. México. 1994

Sotelo, Ávila Gilberto. Hidráulica de canales. Facultad de Ingeniería. UNAM

http://www.ingenierocivilinfo.com/2010/02/distribucion-de- presion-en-una-seccion.html(por las imágenes).

A.B.C.

D.

Geometría de canales

La sección de la forma de los canales es de forma muy irregular y varia continuamente de un sitio a otro. Los artificiales con frecuencia se diseñan con secciones geométricas regulares, siendo las más comunes: la trapecial, la rectangular, la triangular y la semicircular. La parabólica se usa como aproximación en los naturales. En túneles donde el flujo sea a superficie libre, es frecuente encontrar las formas circular y de herradura.

La selección de la forma de la sección depende del tipo de canal que se va a construir, siendo la trapecial la más común en los revestidos y no revestidos, la rectangular en los revestidos con materiales estables (concreto, mampostería, madera etc.) los triangulares en los pequeños y cunetas de las carreteras y la circular en las alcantarillas, túneles y colectores. Existen formas compuestas de las anteriores que son de gran utilidad en conductos abovedados, como grandes alcantarillas y emisores, que por su dimensión permite el paso del hombre a su interior.

Los elementos geométricos más importantes se describen a continuación:

dondey = tirante de agua, altura que el agua adquiere en la sección transversal           b = base del canal o ancho de solera           T = espejo de agua o superficie libre de agua          H = profundidad total del canal           H-y  = borde libre          C =  ancho de corona          θ = ángulo de inclinación de las paredes laterales con la horizontal

A continuación se dan las definiciones de varios elementos geométricos de importancia básica.

Talud “Z”: Es la relación de la proyección horizontal a la vertical de la pared lateral (se llama también talud de las paredes laterales del canal). Es decir Z es el valor de la proyección horizontal cuando  la vertical es 1, aplicando relaciones trigonométricas según Figura 3-3, se tiene:

Tirante de agua o profundidad de flujo “y”: Es la distancia vertical desde el punto más bajo de una sección del canal hasta la superficie libre, es decir la profundidad máxima del agua en el canal.

Ancho superficial o espejo de agua “T”: Es el ancho de la superficie libre del agua.

Área mojada o área hidráulica “A”: Es la superficie ocupada por el líquido en una sección transversal normal cualquiera.

Perímetro mojado “P”: Es la parte del contorno del conducto que está en contacto con el líquido.

Radio hidráulico “R”: Es la relación del área mojada con respecto a su perímetro mojado, el radio hidráulico es la dimensión característica de la sección transversal, hace las funciones del diámetro en tuberías.

Profundidad hidráulica “D” o profundidad media “y”: Es la relación entre el área hidráulica y el espejo de agua.

Distribución de la presión en una sección de canal

A- Líneas de corriente de pequeño curvatura La presión en cualquier punto D de la sección del flujo se mide por la altura de la columna del agua en tubo piezómetrico instalado en el punto. Al no considerar las pequeñas perturbaciones debidas a la turbulencia, etc.

Es claro que el agua en esta columna debe subir desde el punto de medición hasta la línea de gradiente hidráulico o superficie de agua. Por consiguiente, la presión en cualquier punto de la sección es directamente proporcional a la profundidad del flujo por debajo de la superficie libre e igual a la presión hidrostática correspondiente a esta profundidad.

En otras palabras, la distribución de presiones a lo largo de la sección transversal del canal es igual a la distribución hidrostática de presiones; es decir, la distribución es lineal y puede representarse mediante una línea AB (Figura 3-10). Esto se conoce como “ley hidrostática de distribución de presiones.

B-Distribución de presiones en canales a flujo convexo.

Se supone que todas las líneas de corriente son horizontales en la sección bajo consideración. En el flujo cóncavo las fuerzas centrífugas apuntan hacia abajo reforzando la acción de la gravedad; luego, la presión resultante es mayor que la presión hidrostática de un flujo paralelo. En el flujo convexo las fuerzas centrífugas apuntan hacia arriba en contra de la acción de la gravedad; en consecuencia, la  presión resultante es menor que la presión hidrostática de un flujo paralelo. De manera similar, cuando la divergencia de las líneas de

corriente es tan grande como para desarrollar componentes de aceleraciones apreciables normales al flujo, la distribución hidrostática de presiones será perturbada consecuentemente.

Distribución de velocidades en una sección de canal

Debido a la presencia de la superficie libre y a la fricción de las paredes del canal, las velocidades en un canal no están uniformemente distribuidas en su sección. La máxima velocidad medida en canales normales a menudo ocurre por debajo de la superficie librea una distancia de 0.05 a 0.25 de la profundidad; cuanto más cerca de las bancas más profundas se encuentra este máximo.

Características del flujo uniforme

Se considera que el flujo uniforme tiene las siguientes características principales:

1) Profundidad, el área mojada, la velocidad y el caudal son constantes en cada sección del canal.

2) La línea de energía, la superficie del agua y el fondo del canal son paralelas, es decir sus pendientes son todos iguales.

Para propósitos prácticos, el requerimiento de una velocidad constante puede expresarse libremente como el requerimiento de que el flujo posea una velocidad media constante.

Sin embargo, en rigor, esto significaría que el flujo posee una velocidad constante en cada punto de la sección del canal dentro del tramo del flujo uniforme. En otras palabras, la distribución de velocidades a través de la sección del canal no se altera dentro del tramo. Este patrón estable de la distribución de velocidades puede obtenerse cuando la llamada “capa de límite” se encuentra desarrollada completamente.

Se considera que el flujo uniforme es solo permanente, debido a que el fulo uniforme no permanente prácticamente no existe. En corrientes naturales aun el

flujo uniforme permanente es raro, debido a que en ríos y corrientes en estado natural casi nunca se experimenta una condición estricta de flujo uniforme. A pesar de esta desviación de la realidad, a menudo se supone una condición de flujo uniforme para el cálculo de flujo en corrientes naturales. Los resultados obtenidos a partir de esta suposición son aproximados y generales, pero ofrecen una solución relativamente simple y satisfactoria para muchos problemas prácticos.

Nótese que el flujo uniforme no se puede producir a velocidades muy altas, a menudo descrita como ultras rápidas. Esto se debe a que cuando el flujo uniforme alcanza una velocidad alta se vuelve muy inestable. A velocidades más altas el flujo eventualmente atrapara aire y se volverá inestables.

Establecimiento del flujo uniforme

Cuando el flujo ocurre en un canal abierto, el agua encuentra resistencia a medida que fluye agua abajo. Esta resistencia por lo general es contrarrestada por las fuerzas gravitacionales que actúan sobre el cuerpo de agua en la dirección del movimiento. Un flujo uniforme se desarrollará si la resistencia se balancea con las fuerzas gravitacionales.

La magnitud de la resistencia cuando otros factores físicos del canal se mantienen constantes, depende de la velocidad del flujo. Si el agua entra en el canal con lentitud, la velocidad y por consiguiente la resistencia son pequeñas, y la resistencia es sobrepasada por las fuerzas gravitacionales, dando como resultado una aceleración de flujo en el tramo de aguas arriba. La velocidad y la resistencia se aumentaran de manera gradual hasta que se alcance un balance entre las fuerzas de resistencia y de gravedad .A partir de este momento, de ahí a adelante el flujo se vuelve uniforme.

El tramo de aguas arriba que se requiere para el establecimiento del flujo uniforme se conoce como “zona transitoria”. En esta zona el flujo es acelerado y variado. Si el canal es más corto que la longitud de transitorio requerida para las condiciones dadas, no puede obtenerse flujo uniforme. Hacia el extremo de aguas abajo del canal la resistencia puede ser excedida de nuevo por las fuerzas gravitacionales y el flujo se vuelve nuevamente variado.