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HIDRAULICA DE

TUBERIAS Y CANALES

ii

iii

Arturo Rocha Felices

HIDRAULICA DE

TUBERIAS Y CANALES

xi

CAPITULO I INTRODUCCION1.1 Objetivo del libro

1.2 Esquema del contenido general

1.3 Diferencias entre canales y tuberas

1.4 Tipos de flujo

1.5 Teorema de Bernoulli. Ecuacin de la energa

1.6 Propiedades geomtricas de la seccin transversal

1.7 Efecto de la viscosidad

1.8 Efecto de la gravedad

1.9 Concepto de distribucin de velocidades

1.10 Coeficiente de Coriolis

1.11 Coeficiente de Boussinesq

1.12 Discusin de los valores de y 1.13 Relacin entre los coeficientes y 1.14 Otros estudios sobre los coeficientes y 1.15 Comparacin del escurrimiento en una tubera y un canal

Problemas propuestos

1

1

3

4

7

9

11

15

15

21

23

24

25

27

32

38

CONTENIDO

Presentacin v

Prlogo vii

Palabras Preliminares del Autor ix

Indice de Figuras xvi

Indice de Tablas xxi

Lista de Smbolos Principales xxiii

xii

43

46

52

55

62

69

72

75

76

79

82

87

91

94

95

98

101

103

104

109

CAPITULO II MOVIMIENTO UNIFORME2.1 El movimiento uniforme en canales y tuberas

2.2 Relacin entre el corte y la inclinacin

2.3 Ecuaciones de distribucin de velocidades y de la velocidad

media para un canal muy ancho con movimiento laminar

2.4 Ecuaciones de distribucin de velocidades y de la velocidad

media para una tubera con movimiento laminar

2.5 Ecuacin general de distribucin de velocidades para el

movimiento turbulento en un contorno hidrulicamente liso

2.6 Obtencin de las ecuaciones de la velocidad media en

conductos lisos

2.7 Ecuacin general de distribucin de velocidades para el

movimiento turbulento en un contorno hidrulicamente rugoso

2.8 Obtencin de las ecuaciones de la velocidad media en

conductos rugosos

2.9 Obtencin de la ecuacin de Chezy

2.10 Concepto de rugosidad. Conductos hidrulicamente lisos e

hidrulicamente rugosos

2.11 Transformacin de las ecuaciones de Karman - Prandtl

Problemas propuestos

CAPITULO III LA RESISTENCIA DE SUPERFICIE EN EL MOVIMIENTOUNIFORME

3.1 Ecuacin de Darcy

3.2 Significado del coeficiente f de Darcy ( en tuberas circulares)3.3 Tuberas hidrulicamente lisas

3.4 Tuberas hidrulicamente rugosas. Transicin. Grfico de

Nikuradse

3.5 Introduccin del coeficiente f de Darcy en las ecuaciones dedistribucin de velocidades

3.6 Transicin entre contornos lisos y rugosos. Frmula de

Colebrook - White

3.7 Dimensionamiento de conductos. Conceptos fundamentales.

Errores

3.8 Tuberas de seccin no circular

xiii

3.9 Ley exponencial de distribucin de velocidades

3.10 Concepto de capa lmite

3.11 Espesor de la capa lmite

3.12 Desarrollo de la capa lmite

3.13 La separacin. Expansin de un conducto

Problemas propuestos

CAPITULO IV DISEO DE TUBERIAS4.1 Concepto de prdida de carga. Lnea de energa y lnea

piezomtrica

4.2 Abaco de Moody. Tuberas comerciales. Clculo

4.3 Prdidas de carga locales (flujo turbulento)

4.4 Sobre la consideracin de las prdidas de carga locales

4.5 Prdidas de carga locales (flujo laminar)

4.6 Sistemas hidrulicos equivalentes

4.7 Tuberas en serie

4.8 Tubera sobre la lnea de gradiente. Sifn. Cavitacin

4.9 Tubera con boquilla convergente final

4.10 Mquinas hidrulicas. Suministro por bombeo

Problemas propuestos

CAPITULO V DISEO DE CONDUCCIONES Y REDES5.1 Tuberas en paralelo

5.2 El problema de los tres reservorios

5.3 Bombeo de un reservorio a otros dos

5.4 Tuberas con dos o ms ramales de descarga independiente

5.5 Conducto que da servicio (filtrante)

5.6 Cambio de la rugosidad con el tiempo

5.7 Frmula de Hazen y Williams

5.8 Diseo de una conduccin

5.9 Dimetro ms econmico

5.10 Redes de tuberas. Mtodo de Hardy Cross

Problemas propuestos

Problemas complementarios

111

121

123

125

126

130

135

138

150

163

166

168

170

174

177

180

186

193

199

205

210

211

215

218

223

228

229

237

249

xiv

CAPITULO VI CALCULO DE CANALES6.1 Condiciones normales

6.2 Frmulas antiguas

6.3 Frmula de Manning

6.4 Discusin de los valores del coeficiente de rugosidad n aemplearse en la frmula de Manning

6.5 Determinacin de la seccin transversal

6.6 Seccin de mxima eficiencia hidrulica (M. E. H.)

6.7 Concepto de borde libre

6.8 Clculo de canales de seccin compuesta

6.9 Escurrimiento en tubo parcialmente lleno

Problemas propuestos

CAPITULO VII ENERGIA ESPECIFICA Y MOMENTA7.1 Energa especfica

7.2 Energa especfica a gasto constante

7.3 Seccin rectangular

7.4 Seccin parablica

7.5 Seccin triangular

7.6 Seccin trapecial

7.7 Seccin circular y otras secciones

7.8 Flujo crtico normal. Pendiente crtica

7.9 Pendiente crtica mnima (pendiente lmite, LS )7.10 Transiciones

7.11 Interpretacin de la cada libre desde el punto de vista de la

energa especfica

7.12 Fuerza Especfica (Momenta)

7.13 Salto hidrulico

7.14 Descarga por una compuerta de fondo

Problemas propuestos

CAPITULO VIII MOVIMIENTO GRADUALMENTE VARIADO8.1 Introduccin

8.2 Definiciones fundamentales

257

260

265

271

272

281

288

292

296

317

323

325

335

347

350

353

361

365

369

371

377

378

382

387

389

395

399

xv

8.3 Ecuacin general del movimiento gradualmente variado

8.4 Discusin de la ecuacin del eje hidrulico

8.5 Anlisis de los seis casos del movimiento gradualmente variado

8.6 Cambios de pendiente (perfiles de continuidad)

8.7 Curva de remanso

Problemas propuestos

CAPITULO IX VERTEDEROS9.1 Objeto de los vertederos. Tipos

9.2 Vertederos rectangulares. Frmula terica de descarga

9.3 Frmula de Francis

9.4 Otras frmulas para vertederos rectangulares

9.5 Vertederos triangulares

9.6 Vertederos trapeciales. Vertedero tipo Cipolletti

9.7 Condiciones para la instalacin y operacin de vertederos

9.8 Vertederos en pared gruesa (o de cresta ancha)

9.9 Vertederos laterales

9.10 Errores en el clculo del gasto como consecuencia de un error

en la medicin de la carga

9.11 Vaciamiento de un depsito por un vertedero

9.12 Vertedero sumergido

Problemas propuestos

Tablas Generales

Referencias Bibliogrficas

401

407

409

418

423

451

455

466

469

471

478

483

485

487

490

492

493

497

502

507

513

xvi

INDICE DE FIGURAS

Figura 1.1 Diferencia entre canales y tuberas 3

Figura 1.2 Esquema de un piezmetro 4

Figura 1.3 Tipos de flujo 5

Figura 1.4 Movimientos variados 6

Figura 1.5 Teorema de Bernoulli 8

Figura 1.6 Parmetros de la seccin transversal de un canal 10

Figura 1.7 Radio hidrulico en un canal muy ancho 10

Figura 1.8a Viscosidad cinemtica en funcin de la temperatura para

varios fluidos 13

Figura 1.8b Viscosidad dinmica en funcin de la temperatura para

diferentes gases y lquidos 14

Figura 1.8c Viscosidad dinmica en funcin de la temperatura para

varios tipos de aceite 14

Figura 1.9 Distribucin de velocidades en un canal 16

Figura 1.10 Distribucin de velocidades en una tubera 17

Figura 1.11 Distribucin de velocidades en una tubera con flujo turbulento 17

Figura 1.12 Distribucin de velocidades en una tubera con flujo laminar 18

Figura 1.13 Distribucin de velocidades en una tubera (fluido ideal) 18

Figura 1.14 Isotacas en un canal de seccin trapecial 19

Figura 1.15 Distribucin de velocidades en diferentes secciones transversales 19

Figura 1.16 Distribucin de velocidades en un codo 20

Figura 1.17 Distribucin de velocidades en contornos lisos y rugosos 20

Figura 1.18 Esquema de definicin para las ecuaciones de Strauss 28

Figura 1.19 Ecuacin de la energa 33

Figura 1.20 Distribucin vertical de velocidades (mediciones) 35

xvii

Figura 2.1 Movimiento uniforme en un canal 44

Figura 2.2 Movimiento uniforme en una tubera 45

Figura 2.3 Esfuerzo de corte en un canal muy ancho 46

Figura 2.4 Esfuerzo de corte en un canal de cualquier seccin transversal 48

Figura 2.5 Esfuerzo de corte en una tubera 49

Figura 2.6 Distribucin del esfuerzo de corte (a) en un canal y

(b) en una tubera 51

Figura 2.7 Distribucin de velocidades en un canal con movimiento laminar 53

Figura 2.8 Subcapa laminar 65

Figura 2.9 Relacin entre parmetros adimensionales para el clculo de la

distribucin de velocidades 67

Figura 2.10 Flujo a travs de un anillo 71

Figura 2.11 Distribucin de velocidades en un contorno rugoso 73

Figura 2.12 Coeficiente C de Chezy 78Figura 2.13 Aspereza del contorno 80

Figura 2.14 Rugosidad artificial de Nikuradse 80

Figura 3.1 Equilibrio de fuerzas en una tubera 91

Figura 3.2 Coeficiente f de Darcy en tuberas lisas 98

Figura 3.3 Coeficiente