Informe Semestral Fluidos II
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fluidos 2...
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´ bal de Universidad Nacional de San Cristobal o Huamanga Facultad de Ingenier´ıa Minas, Geolog´ıa y Civil ´ n Profesional de Ingeniera Civil Escuela de Formacion o
CURSO
´ MECANICA DE FLUIDOS II
AVANCE DEL INFORME INFORME SEMESTRAL TEMA:DISIPADORES TEMA:DISIPADORES DE ENERG ENERG´ IA EN CANALES DOCENTE:
´ PRADO Jaime Leonardo Ing. BENDEZ BENDEZU ALUMNOS:
–ALARCON TUEROS, Juan Carlos ˜ –ALIAGA PANAHUA, Beatriz –CARDENAS MENDOZA, Kevin E. –CASAFRANCA LUZA, Jhonatan –CCENTA ANGULO, Victor –CISNEROS ARROYO, Jean B. –GUTIERREZ PEREZ, Yuri –MAURICIO CUCHURI, John –ORE CURI, Rhuter –PAUCAR CORONADO, Conan
Índice General neral INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii OBJETIVOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv
CAPITULO
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CONCEPTOS PRELIMINARES PRELIMINARES −−−−−−−−−−−−−−−−−−−
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1.1 Definición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Clasi Clasificación ficación de los los canales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2.1 a) Canales naturales: 1.2.1 a) naturales: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2.2 b) 1.2.2 b) Canales artificiales: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2.3 SECCIONES 1.2.3 SECCIONES CERRADAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2.4 Canales 1.2.4 Canales de riego por su función . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Elemen Elementos tos geométricos geométricos de los canales canales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
CAPITULO
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LA DISIP DISIPACIÓN ACIÓN DE ENERG ENERGÍA ÍA −−−−−−−−−−−−−−−−−−
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2.1 RESALTO HIDRAÚLICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.1 GENERACIÓN DEL RESALTO HIDRÁULICO . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.1 GENERACIÓN 2.1.2 TIPOS 2.1.2 TIPOS DE RESALTO HIDRÁULICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.1.3 CARACTERÍSTICAS 2.1.3 CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DEL RESALTO HIDRÁULICO 11 2.1.4 Aplicaciones 2.1.4 Aplicaciones del Resalto Hidraúlico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
CAPITULO
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TIPOS DE DISIP DISIPADOR ADORES ES DE DE ENER ENERGIA: −−
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3.0.5 Disipadores 3.0.5 Disi padores de energia por expansi expansiones ones y desviac desviaciones: iones: . . . . . . . . 16 3.0.6 Disi 3.0.6 Disipadores padores de energia por cont contraflujo: raflujo:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 177 3.0.7 Disipadores 3.0.7 Disipadores de energia por canales rugosos y cascadas . . . . . . . . . 18 3.0.8 Disipadores 3.0.8 Disipadores de energia a traves de la formación de vórtices . . . . 19 3.0.9 Disipadores 3.0.9 Disipadores de energía por entrada de aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.0.100Disipa 3.0.1 Disipadores dores de energia por chor chorros ros difusores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.0.111Disipadores de energía con bloques de impacto o con umbrales 24 3.0.1 3.0.122Disipadores de energia por escalones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.0.1
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Impacto Imp acto Ambiental −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
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Índice General neral INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii OBJETIVOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv
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1.1 Definición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Clasi Clasificación ficación de los los canales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2.1 a) Canales naturales: 1.2.1 a) naturales: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2.2 b) 1.2.2 b) Canales artificiales: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2.3 SECCIONES 1.2.3 SECCIONES CERRADAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2.4 Canales 1.2.4 Canales de riego por su función . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Elemen Elementos tos geométricos geométricos de los canales canales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
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2.1 RESALTO HIDRAÚLICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.1 GENERACIÓN DEL RESALTO HIDRÁULICO . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.1 GENERACIÓN 2.1.2 TIPOS 2.1.2 TIPOS DE RESALTO HIDRÁULICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.1.3 CARACTERÍSTICAS 2.1.3 CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DEL RESALTO HIDRÁULICO 11 2.1.4 Aplicaciones 2.1.4 Aplicaciones del Resalto Hidraúlico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
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TIPOS DE DISIP DISIPADOR ADORES ES DE DE ENER ENERGIA: −−
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3.0.5 Disipadores 3.0.5 Disi padores de energia por expansi expansiones ones y desviac desviaciones: iones: . . . . . . . . 16 3.0.6 Disi 3.0.6 Disipadores padores de energia por cont contraflujo: raflujo:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 177 3.0.7 Disipadores 3.0.7 Disipadores de energia por canales rugosos y cascadas . . . . . . . . . 18 3.0.8 Disipadores 3.0.8 Disipadores de energia a traves de la formación de vórtices . . . . 19 3.0.9 Disipadores 3.0.9 Disipadores de energía por entrada de aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.0.100Disipa 3.0.1 Disipadores dores de energia por chor chorros ros difusores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.0.111Disipadores de energía con bloques de impacto o con umbrales 24 3.0.1 3.0.122Disipadores de energia por escalones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.0.1
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Impacto Imp acto Ambiental −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
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4.1 VISIONES PREVIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 4.1.1 IMPACTO 4.1.1 IMPA CTO POSITIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 4.1.2 IMPACTO 4.1.2 IMPACTO NEGATIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
CAPITULO
Conclusiones −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
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INTRO DUCCIÓN no de los aspectos que generalmente merece especial atención en el diseño de obras hidráulicas es la disipación de la energía cinética que adquiere un flujo en su descenso. Esta situación se presenta en vertederos de excedencias, estructuras de caída, desfogues de fondo, bocatomas, salidas de alcantarillas, etc. La disipación de la energía cinética puede lograrse aplicando diferentes medidas, a saber: generación de resalto hidráulico, impacto o incremento de la rugosidad. La estructura disipadora de energía es una parte importante de la obra de excedencia que tiene por objeto disipar la energía cinética que el agua adquiere en su caída desde el vaso hasta un sitio adecuado en el fondo del cauce, donde no genere problemas de erosión o socavación. Estas estructuras se diseñarán para que el agua, que sale del canal de descarga, se aleje lo máximo posible, dentro de lo económico, de la cortina o de alguna estructura complementaria. El tipo de disipador de energía que se diseñe depende de la clase de material que se tenga en el sitio en que se puede descargar la avenida. Cuando se tenga roca sana, se puede descargar el agua directamente del vertedor, en régimen rápido, sin necesidad de pasar a régimen tranquilo, siempre que no vaya a causar problema a la pequeña presa o bordo de almacenamiento.
U
i el material es erosionable, se diseña un tanque amortiguador de sección transversal rectangular, hecho de mampostería o concreto armado. Se debe estar consciente, que una falla en el diseño, instalación u operación de los disipadores puede llevar a problemas como socavación, erosión o retención de material, que pueden terminar produciendo la falla del vertedero y posteriormente la falla de la presa.
S
OBJE TIVOS Del Informe Conceptualizar la importancia de los disipadores de energía. Dar a conocer los diferentes tipos de disipadores de energía y sus diferentes
usos. Elegir la obra disipadora de energía más apropiada para pequeñas presas de
almacenamiento de acuerdo a las condiciones topográficas y morfológicas propias de la descarga. Entender el impacto ambiental positivo y negativo que se genera con este tipo obras hidraúlicas.
Capítulo
CONCEPTOS PRELIMINARES
1 1
1
1.1 Definición Los canales son conductos abiertos o cerrados en los cuales el agua circula debido a la acción de la gravedad y sin ninguna presión, pues la superficie libre del líquido está en contacto con la atmósfera; esto quiere decir que el agua fluye impulsada por la presión
atmosférica y de su propio peso.
1.2 Clasificación de los canales De acuerdo con su origen los canales se clasifican en:
1.2.1 a) Canales naturales: Incluyen todos los cursos de agua que existen de manera natural en la tierra, los cuales
varían en tamaño desde pequeños arroyuelos en zonas montañosas, hasta quebradas, ríos pequeños y grandes, arroyos, lagos y lagunas. Las corrientes subterráneas que transportan agua con una superficie libre también son consideradas como canales abiertos naturales. La sección transversal de un canal natural es generalmente de forma muy irregular y variable durante su recorrido, lo mismo que su alineación y las características y aspereza de los
lechos.
Ingeniería Civil
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Capitulo 1
CONCEPTOS PRELIMINARES
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1.2.2 b) Canales artificiales: Los canales artificiales son todos aquellos construidos o desarrollados mediante el esfuerzo de la mano del hombre, tales como: canales de riego, de navegación, control de inundaciones, canales de centrales hidroeléctricas, alcantarillado pluvial, sanitario, canales de desborde, canaletas de madera, cunetas a lo largo de carreteras, cunetas de drenaje agrícola y canales de modelos construidos en el laboratorio. Los canales artificiales usualmente se diseñan con forma geométricas regulares (prismáticos), un canal construido con una sección transversal invariable y una pendiente de fondo constante se conoce como canal prismático. El término sección de canal se refiere a la sección transversal tomado en forma perpendicular a la
dirección del flujo. (Fig.1.3). Las secciones transversales más comunes son las siguientes: Sección trapezoidal:
Se usa en canales de tierra debido a que proveen las pendientes necesarias para estabilidad, y en canales revestidos. Sección rectangular: Debido a que el rectángulo tiene lados verticales, por lo general se utiliza para canales
construidos con materiales estables, acueductos de madera, para canales excavados en roca y para canales revestidos. Sección triangular:
Se usa para cunetas revestidas en las carreteras, también en canales de tierra pequeños, fundamentalmente por facilidad de trazo. También se emplean revestidas, como alcantarillas de las carreteras. Sección parabólica: Se emplea en algunas ocasiones para canales revestidos y es la forma que toman aproxi-
madamente muchos canales naturales y canales viejos de tierra.
1.2.3 SECCIONES CERRADAS Sección circular:
El círculo es la sección más común para alcantarillados y alcantarillas de tamaños pequeño y mediano. Sección parabólica:
Se usan comúnmente para alcantarillas y estructuras hidráulicas importantes.
Ingeniería Civil
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Capitulo 1
CONCEPTOS PRELIMINARES
UNSCH
La selección de la forma determinada de la sección transversal, depende del tipo de canal por construir; así, la trapecial es muy común en canales revestidos, la rectangular en
canales revestidos con material estable como concreto, mampostería, tabique, madera, etc., la triangular en canales pequeños como las cunetas y contracunetas en las carreteras, y la circular en alcantarillas, colectores y túneles. Existen secciones compuestas como las
anteriores que encuentran utilidad en la rectificación de un río que atraviesa una ciudad.
1.2.4 Canales de riego por su función Los canales de riego por sus diferentes funciones adoptan las siguientes denominaciones: Canal de primer orden.- Llamado también canal principal o de derivación y se le traza
siempre con pendiente mínima, normalmente es usado por un solo lado ya que por el otro lado da con terrenos altos (cerros). Canal de segundo orden.- Llamados también laterales, son aquellos que salen del canal
Ingeniería Civil
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Capitulo 1
CONCEPTOS PRELIMINARES
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principal y el gasto que ingresa a ellos, es repartido hacia los sub – laterales, el área de
riego que sirve un lateral se conoce como unidad de riego. Canal de tercer orden.- Llamados también sub-laterales y nacen de los canales laterales, el gasto que ingresa a ellos es repartido hacia las parcelas individuales a través de las tomas granjas.
1.3 Elementos geométricos de los canales 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 amplitud en el cálculo de flujo. Para secciones de
canal regulares y simples, los elementos geométricos pueden expresarse matemáticamente en términos de la profundidad de flujo y de otras dimensiones de la sección. La forma mas conocida de la sección transversal de un canal es la trapecial, como se muestra en la fig.1.5.
Tirante de agua o profundidad de flujo “d”: 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, en m. Talud (m): 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 (m) es el valor de la
proyección horizontal cuando la vertical es 1, aplicando relaciones trigonométricas. Es la cotangente del ángulo de reposo del material ( θ) , es decir m=x/d y depende del tipo de
material en que se construya el canal, a fin de evitar derrumbes (ver Tabla 1). Por ejemplo, cuando se dice que un canal tiene talud 1.5:1, quiere decir que la proyección horizontal de la pared lateral es 1.5 veces mayor que la proyección vertical que es 1, por lo tanto el talud m = 1.5, esto resulta de dividir la proyección horizontal que vale 1.5 entre la vertical que vale 1.
Coeficiente de rugosidad (n): depende del tipo de material en que se aloje el canal (ver Tabla 2).
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Capitulo 1
CONCEPTOS PRELIMINARES
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Pendiente (S) : es la pendiente longitudinal de la rasante del canal. Área hidráulica (A) : es la superficie ocupada por el agua en una sección transversal normal cualquiera (Fig. 6), se expresada en m2. Perímetro mojado (P) : es la longitud de la línea de contorno del área mojada entre el agua y las paredes del canal, (línea resaltada Fig. 6), expresado en m. Radio hidráulico (R) : es el cociente del área hidráulica y el perímetro mojado. R=A/P, en m. Ancho de la superficial o espejo del agua (T): es el ancho de la superficie libre del agua, expresado en m. Tirante medio (dm) : es el área hidráulica dividida por el ancho de la superficie libre del agua . dm=A/T, se expresa m. Libre bordo (Lb) : es la distancia que hay desde la superficie libre del agua hasta la corona del bordo, se expresa en m. Gasto (Q) : es el volumen de agua que pasa en la sección transversal del canal en la unidad de tiempo, y se expresa en m3/s. Velocidad media (V) : es con la que el agua fluye en el canal, expresado en m/s.
Ingeniería Civil
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Capítulo
LA DISIPACIÓN DE ENERGÍA
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1
El objetivo de la disipación de energía es, prevenir la erosión aguas abajo de los vertederos de rebose, rápidas,compuertas deslizantes y todo tipo de estructura hidráulica que genere elevada energía en el flujo. Al producirse la disipación de energía, se reduce rápidamente la velocidad del flujo sobre un piso protegido, hasta un punto donde el flujo pierde su capacidad de socavar el lecho
aguas abajo. La esencia de la disipación de energía se fundamenta,en el calor generado al detenerse un flujo bruscamente por diferentes causas. El aumento de temperatura en el agua es mínimo, del orden de 0.24oC en una caída de 100m, por lo que se considera como destrucción de la energía hidráulica más que como una conversión. El mecanismo de disipación es similar a la pérdida de energía que tiene un flujo a lo largo de su trayectoria,como fruto de las fuerzas de fricción y de corte pero con un alto porcentaje de disipación en cortas distancias,lo cual se produce debido a la turbulencia generada, ya sea por partículas de flujo dentrode una gran corriente de flujo o también por gotas de agua en una corriente de aire. En el primer caso la disipación, se relaciona con los remolinos formados en zonas de alta velocidad, por efecto de fuerzas cortantes y
en el segundo, resulta como efecto de la resistencia del aire ejercida a las partículas de agua. Para la selección del tipo de disipador se debe tener las siguientes consideraciones: Energía de la corriente. Economía y mantenimiento ya que éste eleva mucho el costo. Condiciones del cauce aguas abajo (roca, suelo erosionable, etc). Ubicación de las vías de acceso, casa de máquinas, y demás estructuras hidráulica
ya que su seguridad no puede quedar comprometida. Congelamiento. Ingeniería Civil
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Capitulo 2
LA DISIPACIÓN DE ENERGÍA
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Efecto de las subpresiones y del vapor de agua sobre las instalaciones. Daños causados a la fauna y la flora por la erosión. Proyectos y poblaciones aguas abajo.
2.1 RESALTO HIDRAÚLICO El resalto hidráulico es el caso más común de disipación de energía, generada por partículas de flujo dentro de otra corriente de flujo. El Resalto Hidráulico se define como la elevación brusca de la superficie líquida, cuando el escurrimiento permanente pasa del régimen supercrítico al régimen subcrítico. Es un fenómeno local muy útil para disipar energía hidráulica. Este cambio brusco de régimen se caracteriza por una alteración rápida de la curvatura de las trayectorias del flujo, que
produce vórtices (turbulencia) en el eje horizontal, lo que implica inclusive la aparición de velocidades en dirección opuesta al flujo que propician choques entre partículas en forma más o menos caótica, ocasionando una gran disipación de energía.
Esencialmente existen cinco formas de salto que pueden ocurrir en canales de fondo horizontal. Cada una de estas formas se clasificó de acuerdo con el valor del número de Froude, relativo al régimen supercrítico de la corriente. La teoría del salto hidráulico se expresa brevemente de la manera que se presenta a
continuación. Sea abfe una masa de agua que se desplaza en el resalto . En un intervalo de tiempo,
dicha masa de agua pasará a la posición cdhg. Entre la sección cd a la ef hay un aumento de la sección mojada y en consecuencia, una disminución de la velocidad, pues se trata de movimiento constante. Esto equivale a decir que hubo disminución de la cantidad de
movimiento de la masa de agua.
Precisamente la gran pérdida de energía provocada en el salto, es lo que convierte al
salto hidráulico en un fenómeno deseable para el proyectista, ya que en muchas ocasiones se requiere disminuir drásticamente la velocidad del escurrimiento en zonas en que no
importa que sea grande el tirante, pero sí conviene ahorrar en revestimiento al obtenerse velocidades no erosivas. Ingeniería Civil
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Capitulo 2
LA DISIPACIÓN DE ENERGÍA
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2.1.1 GENERACIÓN DEL RESALTO HIDRÁULICO El resalto hidráulico es el ascenso brusco del nivel del agua que se presenta en un canal abierto a consecuencia del retardo que sufre una corriente de agua que fluye a elevada
velocidad. Este fenómeno presenta un estado de fuerzas en equilibrio, en el que tiene lugar un cambio violento del régimen de flujo, de supercrítico a subcrítico. Consideremos el siguiente esquema:
Ingeniería Civil
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Capitulo 2
LA DISIPACIÓN DE ENERGÍA
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En la sección 1 actúan las fuerzas hidrostática F 1h F 1d y dinámica F1d; en forma similar, pero en sentido contrario en la sección 2, F 2h y F 2d . En ambas secciones la sumatoria de fuerzas da como resultado F1 y F2 respectivamente. En el estado de equilibrio, estas fuerzas tienen la misma magnitud, pero dirección contraria (la fuerza F 1h es menor a F 2h , inversamente F 1d es mayor a F 2d ). Debido a la posición de las fuerzas resultantes, ambas están espaciadas una distancia d, lo cual genera un par de fuerzas de la misma
magnitud, pero de sentido contrario. En razón a la condición de líquido, las partículas que la componen adquirirán la tendencia de fluir en la dirección de las fuerzas predominantes, presentándose la mezcla del agua con líneas de flujo superficiales moviéndose en sentido contrario a la dirección de flujo y de manera inversa en la zona cercana a la solera. El repentino encuentro entre las masas de líquido y el inevitable choque entre partículas
provocan la generación de un medio líquido de gran turbulencia que da lugar a la absorción de aire de la atmósfera, dando como resultado una mezcla de agua y aire. Para un metro de ancho de un canal, se considera el escurrimiento de una masa de fluido por unidad de tiempo. ρq g
m =
El impulso total se expresará F d =
ρq ( v1 − v2 ) g
El que deberá estar en equilibrio con la fuerza resultante: F h1 − F h2 =
ρy2 2
ρy1 2
−
2
2
El impulso se expresa ahora: ρy2 2
ρy1 2
−
2
2
=
ρq (v1 − v2 ) g
Considerando la ecuación de continuidad q = y 1 v1 = y2 v2
y eliminado q y v2 se obtiene: 2
y2 + y2 y1 −
2y1 v1
g
2
= 0
Resultando el tirante conjugado (aguas abajo del resalto): y2 = −
y1 2
+
con: F r1 =
y1 2 4
+
2y1 v1 2
g
v
1 √ gy
1
La expresión del número de Froude (número adimensional que expresa la relación entre las fuerzas de inercia y de gravedad), permitirá obtener la expresión adimensional de tirantes conjugados: Ingeniería Civil
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Capitulo 2
LA DISIPACIÓN DE ENERGÍA y2 y1
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= 12 (
√
1 + 8 F r1 2
− 1)
El tirante antes y después del resalto hidráulico resulta función del Número de Froude. Las características del resalto hidráulico han sido aprovechadas para reducir las velocidades de flujo en canales a valores que permitan el escurrimiento sin ocasionar tensiones de corte superiores a los límites permitidos por los materiales que componen el perímetro
mojado. El lugar geométrico en el que se presenta el resalto se denomina colchón hidráulico. Diferentes investigadores han profundizado en el tema de la disipación de la energía a
través de un resalto hidráulico; algunos han puesto atención a la relación entre los tirantes y condiciones de flujo antes y después del resalto, los menos han abordado los mecanismos internos que gobiernan este fenómeno hidráulico. Se ha investigado diferentes formas de
colchones hidráulicos con el objeto de lograr una mejor disipación de energía en una menor longitud.
2.1.2 TIPOS DE RESALTO HIDRÁULICO De acuerdo a los estudios realizados por U.S. Bureau of Reclamation, el resalto hidráulico puede clasificarse de acuerdo con el número de Froude al inicio del resalto (F 1 ) en los
siguientes tipos:
Ingeniería Civil
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Capitulo 2
LA DISIPACIÓN DE ENERGÍA
UNSCH
2.1.3 CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DEL RESALTO HIDRÁULICO Pérdida De Energía
En el resalto hidráulico la pérdida de energía es igual a las diferencias de energías específicas antes y después del resalto: ∆E = E 1
La relación
∆E
E 1
− E 2 =
(y2 − y1 )3 4y2 y1
, se conoce como la pérdida relativa.
Eficiencia
La relación entre la energía específica antes y después del resalto se conoce como eficiencia del resalto: 3 /2
(8F 1 2 + 1 ) − 4F 1 2 + 1 E 2 = 2 2 E 1 8F 1 (2 + F 1 ) Por lo tanto la eficiencia de un resalto depende únicamente del número de Froude y del
flujo de aproximación. La pérdida relativa es igual a 1-
∆E
E 1
Longitud Del Resalto
Se define como la distancia medida desde la cara frontal del resalto hasta un punto en la superficie inmediatamente aguas abajo del remolino. Hasta la actualidad esta longitud no puede ser determinada matemáticamente pero ha sido estudiada experimentalmente por
muchos investigadores.
Ingeniería Civil
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Capitulo 2
LA DISIPACIÓN DE ENERGÍA
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La figura , presenta los resultados de una investigación realizada por el U.S Bureau of
Reclamation, estudio realizado en seis canales rectangulares. En ausencia de un estudio para canales trapezoidales, puede usarse los resultados de los estudios en canales rectangulares para determinar la longitud de un resalto hidráulico con una aproximación bastante buena.
Perfil Superficial Del Resalto
El conocimiento del perfil superficial de un resalto es necesario en el diseño del borde libre para los muros laterales donde ocurre el resalto, además es importante para determinar la presión que debe utilizarse en el diseño estructural del colchón amortiguador, debido a que experimentos han demostrado que la presión vertical en el piso horizontal bajo la acción
de un resalto hidráulico, es prácticamente la misma que indicaría el perfil de la superficie del agua. En base a los datos experimentales de Backhmeteff y Matzke, en la figura , se presenta una serie de curvas adimensionales para distintos valores de F1, con las que se puede
determinar el perfil superficial de un resalto hidráulico.
Ingeniería Civil
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Capitulo 2
LA DISIPACIÓN DE ENERGÍA
UNSCH
Diagrama de Bakhmeteff y Matzke Localización Del Resalto Hidráulico
La ubicación del resalto hidráulico depende de las condiciones de flujo tanto aguas arriba como aguas abajo. Para la explicación de este aspecto consideremos el caso de flujo a través de en conducto inferior, a manera de un desfogue de fondo. Aguas abajo, el nivel de agua es influenciado por algún elemento de control, como por ejemplo una estructura
de caída. El resalto hidráulico puede ser localizado, determinando y comparando las energías específicas en el flujo supercrítico y en el flujo subcrítico y de esta forma, conocer si el resalto es sumergido o rechazado. Una vez conocido el tipo de resalto y el calado uniforme aguas
abajo, valiéndonos de la curva de energía específica Vs altura de agua, se determina el tipo de curva de remanso y con esto el inicio del resalto hidráulico.
Ingeniería Civil
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Capitulo 2
LA DISIPACIÓN DE ENERGÍA
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Esquema de un resalto hidráulico en un sistema formado por una compuerta y un elemento de control Por un lado, el tirante alcanza su mínimo valor inmediatamente después de la compuerta, este se incrementa gradualmente en régimen supercrítico en dirección aguas abajo. Por
otro lado, el tirante aguas abajo se desarrolla a través de una curva de depresión incrementándose hacia aguas arriba en régimen subcrítico. En alguna sección A, el chorro que se desplaza desde la compuerta tiene tirante h1A requiere para la formación del resalto un tirante conjugado h2A , sin embargo, el tirante real en esta sección es menor al requerido. Bajo estas condiciones, el chorro supercrítico
continúa avanzando hacía aguas abajo, incrementando su tirante y por lo tanto reduciendo su energía cinética. En una sección G, el tirante conjugado requerido h2A alcanzará una magnitud equivalente al tirante existente, presentándose las condiciones para la formación de un resalto hidráulico.
2.1.4 Aplicaciones del Resalto Hidraúlico En el campo del flujo en canales abiertos el salto hidráulico suele tener muchas aplicaciones entre las que están: La disipación de energía en flujos sobre diques, vertederos, presas y otras estructuras hidráulicas y prevenir de esta manera la socavación aguas debajo de las estructuras. El mantenimiento de altos niveles de aguas en canales que se utilizan para propósitos de distribución de agua. Incrementos del gasto descargado por una compuerta deslizante al rechazar el
retroceso del agua contra la compuerta, esto aumenta la carga efectiva y con ella la descarga. La reducción de la elevada presión bajo las estructuras mediante la elevación del
tirante del agua sobre la guarnición de defensa de la estructura. La mezcla de sustancias químicas usadas para la purificación o tratamiento de agua. Ingeniería Civil
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Capitulo 2
LA DISIPACIÓN DE ENERGÍA
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La aireación de flujos y el desclorinado en el tratamiento de agua. La remoción de bolsas de aire con flujo de canales abiertos en canales circulares. La identificación de condiciones especiales de flujo con el fin de medir la razón
efectividad-costo del flujo. Recuperar altura o aumentar el nivel del agua en el lado de aguas debajo de una canaleta de medición y mantener un nivel alto del agua en el canal de irrigación o
de cualquier estructura para distribución de aguas.
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Capítulo
TIPOS DE DISIPADORES DE ENERGIA:
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De acuerdo a las características de los disipadores de energía se los puede clasificar de la
siguiente manera:
3.0.5 Disipadores de energia por expansiones y desviaciones: Una expansión repentina en una tubería induce a la conocida pérdida de Bord Carnot, este tipo de pérdida usualmente describe el comportamiento de una pérdida de impacto, en la que una corriente rápida impacta con otra de menor velocidad, produciéndose separación del flujo y una zona de altas velocidades. Por lo tanto, muchos disipadores de energía son basados en expansiones bruscas, debido a que la velocidad aguas abajo en este tipo de
estructura es mucho menor que la del flujo de entrada. El clásico resalto hidráulico como el de la figura 1.3a. es el más conocido fenómeno relacionado a la disipación de energía. Este puede ser comparado con una expansión brusca en una tubería y en cierto modo trabajan de la misma forma. El clásico resalto hidráulico se produce por el cambio del
tipo de flujo de supercrítico a subcrítico, pero si las condiciones en un canal no permiten el cambio natural del tipo de flujo, este puede ser forzado por la presencia de diferentes
tipos de accesorios, como es el caso de los llamados disipadores de energía forzados en un cuenco disipador, los accesorios utilizados para forzar el resalto pueden ser rampas, gradas, umbrales, deflectores, vigas, etc. En la figura 1.3b se muestra un tipo de obstrucción a través de vigas. En la figura 1.3c se puede observar un tipo de disipador con una viga colgada como obstrucción y con una expansión en planta. El disipador mostrado en la figura 1.3d con una tubería perforada descargado sumergido en un tanque, es otra
alternativa de forzar el clásico resalto hidráulico.
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DISIPADORES DE ENERGÍA CON RESALTO FORZADO
FIGURA 1.3
3.0.6 Disipadores de energia por contraflujo: El principio de contraflujo se refiere. a que la energia de un chorro puede ser disipada en dos o más partes el chorro de entrada y luego direccionando estos chorros para que se produzcan un choque entre ellos. Una importante característica es la diferencia entre chorros, en la que el uno puede tener más fuerza que el otro y también de choque, las
mismas que influyen en la cantidad de disipación. En el cuenco disipador mostrado en la figura 1.4, en donde los dos chorros tienen similar tamaño y velocidad de impacto, formado en un pequeño ángulo entre ellos, se produce una baja disipación, ya que solamente pequeñas velocidades son generadas. Este mecanismo podría ser ventajoso formando un
espray que puede ser beneficioso en otro contexto. DISIPADORES DE ENERGÍA POR COLISIÓN DE DOS CHORROS IGUALES
FIGURA 1.4
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La interacción de dos corrientes como las mostradas en la figura 1.5a es más efectiva. Este caso es típico de una compuerta de doble salida, en donde la lámina de agua superior
perturba a la inferior, produciéndose un fenómeno similar al desatado por la obstrucción de una viga colgada, forzando el resalto hidráulico aguas abajo. Una estructura para un
canal con bajo contenido de sedimentos es mostrada en la figura 1.5b similar a un cuenco disipador con un umbral de fondo y se comporta igual a un disipador de energía con
obstrucción, en la que en este caso el contraflujo producido por el umbral en arco provoca la formación de un resalto hidráulico. El disipador mostrado en la figura 1.5c es un chorro productor de resalto hidráulico, el cual su principal objetivo no es generar generar pérdida por impacto sino generar la formación del resalto hidráulico. DISIPADORES DE ENERGÍA POR POR CONTRAFLUJO
FIGURA 1.5
3.0.7 Disipadores de energia por canales rugosos y cascadas Un canal con gran rugosidad puede disipar una gran parte de energía de su flujo en una distancia relativamente corta. La rugosidad puede obtenerse de diferentes formas. Entre
las más comunes tenemos pequeños dientes deflectores para canales o vertederos de cresta gruesa. Para el caso de canales o vertederos con pendientes mayores al 50%. Peterka (1964)recomienda dientes con alturas del 80% de la altura crítica del caudal de diseño,
este valor de la altura da una idea de lo grande que tiene que sera la rugosidad del canal. Similares a los dientes deflectores son los canales con fondo de mampostería de piedra que en los ultimos años han empezado a hacerse muy populares (figura 1.6b). Una variedad de este tipo de disipadores son los disipadores de energía en cascadas. Casi todos los tipos de disipadores mencionados anteriormente pueden ser diseñados en series, como es el caso del Ingeniería Civil
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TIPOS DE DISIPADORES DE ENERGIA:
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tipo en la figura 1.6c en el que se observa una serie de umbrales de fondo y en la figura
1.6d se observa una serie de vertederos de cresta delgada con fuertes caídas. DISIPADORES DE ENERGÍA POR CANALES RUGOSOS Y CASCADAS
FIGURA 1.6
3.0.8 Disipadores de energia a traves de la formación de vórtices Los disipadores de energía a través de formación de vórtices no son muy comunes como
los estudiados anteriormente, aunque su principio ha sido conocido hace mucho tiempo, la amplia aplicación en la Ingeniería Hidráulica ha sido mucho más reciente. La figura 1.7a
muestra uno de los mecanismos básicos. En Europa disipadores de este tipo son llamados vórtices de cámara o vórtices estranguladores, los cuales fueron exitosamente desarrollados por Brombach (1982), en Estados Unidos estos son conocidos como " hydrobrake". Este
disipador consiste principalmente en un tanque plano cilíndrico con un ingreso tangencial y una salida axial del flujo, por lo tanto el flujo entrante crea fuertes vórtices y el flujo saliente es giratorio y muchas veces en hondas con núcleo de aire, de este modo parte de
esta energía es disipada. En el caso de que el flujo saliente sea sumergido aguas abajo, es recomendado colocar un aireador axial. Estos disipadores principalmente son usados en sistemas de alcantarillado pluvial. El mismo principio es aplicado en vórtices en tubos
como se muestran en la figura 1.7b. El flujo es guiado tangencialmente en un tubo y realza un recorrido helicoidal a lo largo de las paredes del tubo, para salir en una vena axial, la energía es principalmente disipada por la fricción. Este tipo de disipadores son usualmente utilizados en el vaciado de turbinas y para pequeñas descargas. Otro mecanismo de los disipadores en vórtices son los producidos en cámaras con un nivel libre de aguas como se muestra en la figura 1.7c, este último consiste en una forma espiral para la entrada del flujo y un pozo vertical. El flujo de entrada es guiado hacia las paredes del pozo con una fuerza centrifuga que se mantiene durante la caída debido al efecto del "Coanda",
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como consecuencia de esto, el flujo sigue una trayectoria helicoidal hacia abajo, similar al recorrido de las ranuras de un tornillo, generando pérdidas debido a la fricción a lo largo de las paredes. En la parte final de un largo pozo el flujo se mueve prácticamente vertical y es casi un chorro de caída libre, la energía disipada es parcial por lo que es necesario es necesario completar la disipación con un cuenco sumergido en el fondo del pozo. Este tipo de disipador fue originalmente usado al final del túnel de carga en hidroeléctricas, pero
actualmente es más utilizado para salvar desnivel en sistemas de alcantarillado pluvial. DISIPADORES DE ENERGÍA A TRAVÉS DE VÓRTICES
FIGURA 1.7 Ingeniería Civil
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FOTOGRAFÍA DE UN DISIPADOR DE ENERGÍA DEL TIPO VÓRTICES EN POZOS
FIGURA 1.8
3.0.9 Disipadores de energía por entrada de aire Diversos tipos de disipadores usan en los cuales un flujo y un lento son mezclados y la energía cinética es así disipada. La pregunta surge si mezclando una corriente rápida con una corriente de aire tiene similar efecto, esto no es así por supuesto, es claro que todos los procesos de mezclas consumen energía, pero si supuesto ,es claro que todos los procesos de mezclas consumen energía, pero si en flujos de altas velocidades ingresa aire, la pérdida de energía no es muy alta. En el caso de que el agua choque con una masa de aire y considerando que la densidad del agua es aproximadamente 800 a 900 veces la
densidad del aire, las pérdidas son insignificantes aunque la masa de aire sea mucho mayor que la del agua. Por esta razón los aireadores de fondo (figura 1.9a) como los usados hoy en día sirven para prevenir la cavitación en canales y en vertederos de gran longitud y no son efectivos como disipadores de energía, aunque existe la posibilidad de combinar mecanismos de disipación con aireadores como los mostrados en la figura 1.9b. Existen
otros tipos de combinaciones como las mostradas en la figura 1.9c y 1.9d.
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DISIPADORES DE ENERGÍA CON AIREADORES
FIGURA 1.9
3.0.10 Disipadores de energia por chorros difusores Como se dijo en la sección anterior, una entrada normal de aire no resulta en una eficiente disipación de energía. Este estado sin embargo es dependiente del grado de entrada de aire, porque si el ingreso de aire alcanza un grado donde la corriente de agua es transformada en espray, la disipación de energía puede ser alta, la razón se encuentra en la transformación del flujo de agua a un fluido agua-aire, que consiste en una nube de gotas de agua en aire. Estas gotas son fuertemente afectadas por el arrastre de aire, especialmente si son
pequeñas y se mueven a velocidades que son relativamente altas con respecto al medio que las rodea. Un clásico ejemplo de un chorro difusor es el surtidor mostrado en la figura 1.10a aunque es generalmente usado para adorno y no como disipador de energía. El
mismo principio es usado en las válvulas de chorro tipo hondonada y en las válvulas tipo "Howell Bunger" (figuras 1.10b y 1.10c). Estos chorros son intencionalmente sujetos a una fuerte difusión y ellos son generalmente dirigidos horizontalmente y posiblemente en un cuenco disipador, las válvulas tienen el objeto de incrementar la combinación agua-aire y convertir el chorro de agua en espray, estos son usualmente colocados en las descargas de fondo en presas. En vertederos, en presas de caída libre y deflectores dispersos de energía (figura 1.10d) pueden servir como generadores de espray, sin embargo su éxito como disipadores de energía es usualmente solo parcial, porque la lámina de agua es generalmente demasiado gruesa para ser completamente dispersa durante su trayectoria, la lámina de agua mantiene un núcleo compacto de agua y así una región de energía sin
disminución, por lo tanto algunos diseñadores han incrementado la dispersión adicionando separadores de flujo sobre la cresta de un dispersor. Como una alternativa para canales
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cortos, Lin (1988) sugiere colocar dientes abocinados al final de un vertedero de cresta
gruesa (figura 1.10e). Adicionalmente,el mecanismo de inducir espray afecta la trayectoria de la lámina de agua, porque ellos consumen energía, lo que reduce la longitud de la trayectoria, este resultado muchas veces es opuesto a lo requerido por el diseñador, que aspira llegar con el chorro lo más lejos posible con la finalidad de evitar daños al pie de
una estructura. Un mecanismo eficiente para transformar chorros de altas velocidades en un espray, es guiar el flujo hacia largos bloques deflectores o a otros obstáculos similares, una de estas soluciones fue descrita por Gerodetti (1985) de acuerdo con la figura 1.10f,
esta variante también es aplicada para reducir fuerzas de impacto en la solera. DISIPADORES DE ENERGÍA POR MEDIO DE CHORROS DIFUSORES
FIGURA 1.10 El salto en Esqui: Previo a definir este tipo de disipador, es conveniente mencionar, que ha sido uno de los disipadores de energía usados para cumplir los objetivos del presente trabajo de investigación. La cuchara del salto en Esquí, es el elemento que dirige el flujo de un vertedero, casa de máquinas u otras, con la finalidad de no ocasionar daños en las
estructuras mencionadas, sino que el aire circundante puede atacar la mayor área posible y mover el impacto erosivo del agua fuera del pie de la estructura. Entre algunos tipos de cucharones, tres de ellos se pueden distinguir como más importante: Ingeniería Civil
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Cucharón longitudinal Dispersor de energía (flip Bcket) Deflector
El cucharon longitudinal:
Tiene normalmente forma de arco circular y su radio es generalmente entre 10m y cinco veces el calado inmediatamente aguas arriba.
20m
o
El dispersor de energía: Se caracteriza por la sección transversal que varia en la dirección del flujo, este capaz de
cambiar la dirección del flujo tanto transversal como longitudinalmente. El deflector:
Consiste en una simple superficie curva con un lado alto y una pendiente al final que dirige el flujo lejos de la salida.
3.0.11 Disipadores de energía con bloques de impacto o con umbrales Una parte muy importante en el diseño de los disipadores de energía son medidas para la estabilización del resalto hidráulico, con la finalidad que este resalto no se salga de los límites del lecho disipador o ya sea forzar un lecho de menor tamaño. Entre las medidas más comunes utilizados para la estabilización del resalto hidráulico se encuentran los bloques de impacto, que se colocan dentro del colchón amortiguador en una o más filas.
El efecto de estos bloques se fundamenta en una fuerza adicional que se debe añadir a las fuerzas exteriores actuantes sobre el volumen de control en la ecuación del impulso.
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3.0.12 Disipadores de energia por escalones Escalon Negativo Otra de las formas de estabilización del resalto hidráulico es profundizar el fondo del canal aguas arriba del colchón disipador, esta medida también es útil en casos de flujos asimétricos y con presencia de ondas, ya que permite fijar el pie del remolino en toda la
sección transversal. Escalon Positivo El escalón positivo puede ubicarse al final y dentro del resalto, en el primer casono sirve como medio para estabilizar el resalto hidráulico, y en el segundo caso tiene efectos
similares al del escalón negativo. Cuando se ubica al final del resalto hidráulico, su objetivo principal es reducir el calado de aguas abajo, también se lo usa frecuentemente para evitar el ingreso de material del fondo en el cuenco disipador, es necesario considerar que un
escalón muy alto puede ocasionar socavación aguas abajo.
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Es una preocupación y a la vez un boom el tema de impacto ambiental que se genera en cualquier tipo de proyectos que se construyen para el beneficio y uso de una población
necesitada ya sea una pequeña comunidad o una metrópoli, pues el análisis que se genera se debe hacer desde dos puntos de vista. El Impacto Ambiental Positivo y el Impacto Ambiental Negativo, las cuales van generando Impacto que puede ser beneficiosos para
un cierto sector y perniciosos para otros, pues en este ámbito de la construcción vamos a analizar los diferentes aspectos de beneficio y a las vez cuan perjudicial fuera cunado no se cumplen con ciertos aspectos técnicos Por otra parte, vemos que el impacto que se genera depende en demasía desde su punto
de vista técnico, mas no solo de un proyecto en sí, por que todo proyecto que se ejecuta si cumple con todos los parámetros de la construcción y de acuerdo al Reglamento Nacional de Edificaciones y de acuerdo a las normas técnicas que existen en nuestro país, estas no afectan en lo absoluto al medio ambiente mas bien beneficia a toda una comunidad o una nación, pero también podemos observar que si no se cumplen los parámetros en su construcción, en vez de ser beneficioso nos puede causar problemas que pueden arraigar
déficit en la dinámica de la economía local y nacional.
4.1 VISIONES PREVIAS 1. Se debe analizar Cuando se reduce rápidamente la velocidad del flujo sobre un piso protegido hasta un punto donde el flujo pierde su capacidad de socavar el lecho aguas
abajo y como ésta afecta las estructuras que son los canales. 2. ¿ Que genera si no se hace un buen revestimiento o un adecuado diseño geométrico en los canales?
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3. Pues la respuesta es la que en adelante llamaremos impacto ambiental positivo e impacto ambiental negativo. Analicemos que pasa si no utilizamos algún método para disipar una energía, que se genera en el medio donde discurre el agua ya se a un canal natural o artificial, qué pasa con tanta energía que se produce de que manera se comporta en el medio ambiente, como afecta
esto a la naturaleza y al hombre. Se puede observar que el agua que fluye por una determinada zona se carga mientras mas caudal tenga como se puede ver
Esta carga generada al pasar por este determinado superficie deja daños en las estructuras existentes las cuales son perjudiciales la que la energía acumulada hace su trabajo de socavar que se haya generado con la combinación de efectos como vorticidad y una turbulencia
que arrastra materiales y deja afectada las estructuras.
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como también afecta afecta estructuras aledañas como carreteras cultivos y todo lo que
encuentra a su paso
Si los ingenieros dejamos que la naturaleza actúe por su cuenta pues los resultado serán
catastróficos y muy dañinos para el hombre.
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4.1.1 IMPACTO POSITIVO Todo proyecto con un buen estudio de pre factibilidad y con los diseños adecuados permiten que los proyectos sean en beneficio de la humanidad, haciendo que las metrópolis crezcan y se tengan todas la comodidades que una requiere con tan solo aplastar un botón o abrir un grifo. Para esto se necesita el buen desarrollo de los proyecto y trabajos minuciosos de estudio técnico calificado estos trabajos mejoran la agricultura de los mas necesitados.
una obra perfecta de ingeniería debe perdurar a pesar de los años para ello se debe diseñar con previsiones para que no colapse por efectos del los flujos y el efecto de las turbulencias.
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4.1.2 IMPACTO NEGATIVO Cuando se deja que la naturaleza actúe por su cuenta o los trabajos de ingeniería se ejecutan sin previo estudio el daño que se genera a causa del flujo de la torrente es muy
perjudicial en la agricultura
cuando no se colocan disipadores o protectores en las bases de los puentes esto es lo que
pasa a lo largo de los años de servicio de la estructura edificada
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CONCLU SIONES Conclusión 01 La importancia de conocer el comportamiento del agua en canales.
Conclusión 02 La importancia de los disipadores de energía en las estructuras hidraúlicas.
Conclusión 03 Los diferentes modelos que podemos hacer para tener nuestro disipador de energía
dependiendo del tipo de obra a realizarse.
Conclusión 04 El impacto ambiental que generan estas construcciones hidraúlicas.
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