Localización Del Resalto Hidráulico - Informe de Investigación

FACULTAD DE INGENIERÍA E.A.P. DE INGENIERÍA CIVIL

ASIGNATURA MECÁNICA DE FLUIDOS II

DOCENTE MG. ING. HUGO AMADO ROJAS RUBIO

ALUMNO DOLORES VALVERDE DEEKLA

NUEVO CHIMBOTE, JULIO DE 2014

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA INGENIERÍA CIVIL

MECANICA DE FLUIDOS II MG. ING. HUGO ROJAS RUBIO

ÍNDICE

ÍNDICE ............................................................................................................... 1

INTRODUCCIÓN ............................................................................................... 2

MARCO TEÓRICO ............................................................................................ 3

Localización del salto hidráulico ...................................................................... 6

Caso A ....................................................................................................... 8

Caso B ....................................................................................................... 9

Caso C ..................................................................................................... 10

Ejemplo ......................................................................................................... 11

CONCLUSIONES ............................................................................................ 14

BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................... 14

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INTRODUCCION

El presente informe de investigación sobre “la localización del salto hidráulico”, expone el resumen de todo lo que se investigó y se pudo extraer de diferentes fuentes bibliográficas que trataron el tema, y en la que el autor que más explicó en sus análisis fue Ven Te Chow en Hidráulica de canales abiertos. En primer lugar se enfocará de manera general en la explicación del salto hidráulico, comportamiento del resalto en diferentes estructuras hidráulicas y elementos del salto, en donde se explicara de manera clara y concisa dichos temas. Posteriormente se describirá el análisis de como localizar exactamente el salto hidráulico en diferentes estructuras y situaciones, todo esto en función de la pendiente, del tirante del flujo aguas arribas como aguas abajo, del tirante secuente, con el objetivo de poder ubicar la zona de mayor incidencia erosiva del flujo y poder así realizar un adecuado diseño para proteger adecuadamente el lecho del canal. Además también poder realizar los perfiles de acuerdo a la configuración del sistema hidráulico. Se espera cumplir con lo expuesto a fin de poner comprender mejor este fenómeno que durante muchos años muchos investigadores han dedicado su tiempo y esfuerzo con el objetivo de estudiarlo, comprenderlo y contribuir al desarrollo de esta ciencia tan amplia que es la hidráulica.

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LOCALIZACIÓN DEL RESALTO HIDRAULICO

I.

MARCO TEÓRICO: El resalto o salto hidráulico es un fenómeno local, que se presenta en el flujo rápidamente variado, el cual va siempre acompañado por un aumento súbito del tirante y una pérdida de energía bastante considerable (disipada principalmente como calor), en un tramo relativamente corto. Ocurre en el paso brusco de régimen supercrítico (rápido) a régimen subcrítico (lento), es decir, en el resalto hidráulico el tirante, en un corto tramo, cambia de un valor inferior al crítico a otro superior a este. (VILLAR BEJAR, 1995, pág. 179). El siguiente grafico muestra este fenómeno.

Generalmente, el resalto se forma cuando en una corriente rápida existe algún obstáculo o un cambio brusco de pendiente. Esto sucede al pie de estructuras hidráulicas tales como vertederos de demasías, rápidas, salidas de compuertas con descarga por el fondo, etc., lo que se muestra en la siguiente figura:

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En un resalto como el que se muestra en la Figura 5-13 se pueden realizar las siguientes observaciones:

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Antes del resalto, cuando el agua escurre todavía en régimen rápido, predomina la energía cinética de la corriente, parte de la cual se transforma en calor (pérdida de energía útil) y parte en energía potencial (incremento del tirante); siendo esta la que predomina, después de efectuado el fenómeno. En la Figura 5-13, las secciones (1) y (2) marcan esquemáticamente el principio y el final del resalto. Los tirantes y1 y y2 con que escurre el agua antes y después del mismo se llaman tirantes conjugados. Donde: y2 = tirante conjugado mayor y1 = tirante conjugado menor La diferencia: y2 – y1 es la altura del resalto y L su longitud; existen muchos criterios para encontrar este último valor. E1 es la energía específica antes del resalto y E2 la que posee la corriente después de él. Se observa que en (2) la energía específica es menor que en (1) debido a las fuertes pérdidas de energía útil que el fenómeno ocasiona; esta pérdida se representa como: E1 – E2.

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Además de su mérito como disipador natural de energía, el resalto hidráulico tiene muchos otros usos prácticos, entre los cuales se pueden mencionar los siguientes: a)

Prevención o confinamiento de la socavación aguas debajo de las estructuras hidráulicas donde es necesario disipar energía.

b) Mezclado eficiente de fluidos o de sustancias químicas usadas en la purificación de aguas, debido a la naturaleza fuertemente turbulenta del fenómeno. c)

Incremento del caudal descargado por una compuerta deslizante al rechazar el retroceso del agua contra la compuerta. Esto aumenta la carga efectiva y con ella el caudal.

d)

La recuperación de carga aguas debajo de un aforador y mantenimiento de un nivel alto del agua en el canal de riego o de distribución del agua. (VILLAR BEJAR, 1995, págs. 180 - 183)

Localización del resalto hidráulico: Con frecuencia, en las obras de ingeniería es importante saber dónde se presentará un salto hidráulico, como al diseñar un vertedor. Conforme se descarga el agua sobre una presa de sobreflujo, la mayor parte de su energía potencial original se convierte en energía cinética. A menos que se proporcionen medios para disipar parte de esa energía cinética en pérdida de fricción, junto con la reconversión de cierta cantidad en energía potencial, esas velocidades altas tendrán probabilidades de provocar erosión en la parte de descarga de la presa y dar como resultado la falla de la estructura. Uno de los métodos más eficaces para convertir la energía cinética en perdida por fricción, es por medio de los saltos hidráulicos; no obstante esta conversión se debe producir en el manto de la presa y, por ende, determinar la ubicación del salto tiene una importancia primordial. (W. KING, 1985, pág. 279). pág. 6

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La localización del salto hidráulico ocurre en un escurrimiento supercrítico cuando la profundidad cambia abruptamente a su profundidad secuente. Hablando teóricamente, el salto ocurrirá en un canal rectangular horizontal si las profundidades iniciales y secuentes y el número Froude aproximadamente satisfacen la ecuación:

Esta condición teórica es generalmente usada para ubicar, debe considerarse la longitud del salto. Lo siguiente (Fig. 15-6) ilustrara la ubicación de un salto hidráulico en tres casos típicos:

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 Caso A muestra el salto debajo de una esclusa de regulación en un canal moderado. Los perfiles AB y CD pueden ser identificados fácilmente como tipo M3 y M2 respectivamente. La curva A’B es un dibujo de la profundidad secuente de AB. Se puede estimar la longitud del salto por la posición de F’. Mediante tanteos, una intersección horizontal entre las curvas A’B y CD se puede encontrar que es igual a la longitud de salto. Por ejemplo, la distancia horizontal EF es igual a la longitud del salto correspondiente a la profundidad y2 en F. Se hace aparente que el salto se formara entre G y F, ya que la profundidad en F es secuente a la profundidad en G y la distancia EF mide la longitud del salto no fuera tomada. Se puede notar que, si la longitud del salto no fuera tomada en consideración en el análisis, el salto podría haberse considerado que se formaría en el punto aguas arriba F’, resultando en un error representado por F’F. En el caso A, se puede ver que, aumentando la profundidad aguas abajo o levantando la curva CD, el salto puede ser movido aguas arriba. La profundidad aguas abajo se puede levantar a tal altura que el salto será eventualmente inundado en frente de la esclusa. Disminuyendo la profundidad aguas abajo o bajando CD, moverá el salto aguas abajo. La discusión superior se aplica también a la localización de un salto formado al pie de un dique o vertedero de desborde. pág. 8

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Cuando hay un salto hidráulico debajo de una esclusa, el flujo saliente de la compuerta formará un chorro que posea una vena contraída. La distancia Le de la vena contraída a la abertura de la compuerta es usualmente corta. A despecho de esta distancia, hay una regla adoptada generalmente la cual establece que la vena contraída está localizada aproximadamente a una distancia h desde la abertura de la compuerta. (CHOW, 2004, págs. 375 - 376)

 Apreciación: Lo que menciona el autor Ven te Chow en párrafo anterior, es cierto ya que en el caso A, cuando el agua pasa por debajo de una compuerta el chorro o vena contraída presentará a una longitud determinada la ocurrencia del salto. Según la gráfica para este caso la longitud del salto está dada por la distancia horizontal entre los puntos G y F, es decir entre los puntos E y F, apreciándose en ese tramo un aumento considerable del tirante ya que el flujo está pasando de supercrítico a suscritico. También se menciona que si aumentamos la altura del tirante y2, el salto se apegaría a la compuerta, y posiblemente presentaría un salto ahogado o inundado. Caso contrario ocurriría si se disminuiría dicho tirante, es decir el salto se trasladaría aguas abajo

 El caso B muestra el salto en una canal teniendo un quiebre en la pendiente del fondo que cambia de empinada a moderada. Por simplicidad, se ha asumido que el flujo es uniforme en el canal excepto en el tramo entre el salto y el quiebre, el salto puede ocurrir en ya sea el canal empinado o el canal moderado, dependiendo de si la profundidad aguas abajo y2 es más grande o menos grande que la profundidad y1’ secuente de la profundidad aguas arriba y1. Si la profundidad y2 es más grande que y1’, el salto ocurrirá en la región empinada. Entonces la curva de la superficie OC es el típico S1. La pág. 9

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linea A’P indica la profundidad secuente de la línea AR. Ahora, determinar una intersección horizontal IJ entre A´P y CO que es igual a la longitud del salto. Es aparente que un salto HJ empezara en la sección

conteniendo

I.

Si

aproximadamente a menos que

la

profundidad

y2

es

bajada

y1’, el salto empezará a moverse

dentro del canal moderado. En este caso, el salto puede estar ubicado tal como se describe en el caso A. (CHOW, 2004, pág. 376)  Apreciación: Es correcto, lo que el mismo autor, también menciona para el caso B cuando el flujo pasa de una zona con pendiente empinada a otra con pendiente moderada. En este caso el salto puede darse en cualquiera de las zonas, y dependerá de la relación que exista entre los tirantes y1’ y y2, ambas aguas abajo. Si y2 es mayor que y1’, entonces como se menciona en el párrafo anterior, el salto se presentara en la zona con pendiente empinada. Caso contrario ocurriría si y2 es menor que y1’, el salto estaría en la zona con pendiente moderada, como se puede observar en las figuras correspondientes. Para dichas situaciones, el salto en zona empinada está delimitado H y J, mientras que para la otra zona, por los puntos G y F.

 El caso C muestra el salto detrás de una barrera desbordada. Teóricamente, se formara un salto si la profundidad en la barrera es más grande que la profundidad y1’ secuente a la profundidad subcrítica aproximada y1. La ubicación del salto es la misma como la del caso B si el salto ocurre en la región empinada. Aumentando la altura de la barrera se moverá el salto aguas arriba. Disminuyendo la altura el salto se moverá aguas abajo. Cuando la profundidad en la barrera es menor que la profundidad secuente y1’, la barrera será cruzada por una elevación fija en la forma de una superficie ondular simple cuya levantada no será seguida por ondulaciones posteriores. (CHOW, 2004, pág. 376) pág. 10

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 Apreciación: Para este caso también es correcto lo que dice el autor. El caso C nos muestra el salto hidráulico que se presenta cuando hay una barrera. El comportamiento es igual que con el caso B en la zona empinada, ya que y2 es mayor que y1’, y si aumentamos o disminuimos el tirante y2 solo se observara que el salto se moverá, ya sea aguas arriba o aguas abajo. En la situcion contraria cuando y2 es menor que y1’, entonces la barrera será cruzada por el flujo formando una curvatura del flujo bastante estable. El salto para este caso se encuentra comprendido entre los puntos H y J, es decir la distancia horizontal IJ.

A continuación se presenta un ejemplo de cómo ubicar o localizar el salto hidraulico: Ejemplo: El agua fluye por debajo

de una compuerta, en un canal

trapezoidal que tiene b=20 ft, z=2, So=0.0036, α=1.10 y n=0.025. La compuerta es regulada para descargar 400 cfs con una profundidad igual a 0.55 ft en la vena contraída. Localizar el salto hidráulico si el flujo aguas abajo del salto es uniforme. Solución: De los datos dados, la curva de energía específica y la curva de fuerza específica

del canal pueden

ser construidas como se ve en la Fig. 15-7. Al calcular la curva de fuerza específica el valor de β se puede estimar como 1.04 para α=1.10, usando las Ecs.:

y

.

Debajo de la compuerta, el perfil M3 se ve en AGB en la Fig. 15-8. La curva de la profundidad secuente A’F’B corresponde a la curva de profundidad inicial AGB se pude determinar. La curva A’F’B y el perfil del flujo aguas abajo CFD (igual a la línea de profundidad normal en este ejemplo) intersecta en F’. La profundidad inicial del flujo en F’ se encuentra entonces, partiendo del perfil M3, que es 1.70 ft. El correspondiente F=1.52 y de la Fig. 15-4, L/y2=3.6. La longitud de salto es entonces igual a pág. 11

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L=3.6x2.67=9.6 ft. En este punto hay considerada una aproximación ya que la longitud del salto debería estar basada sobre F en E (en vez de F’), la cual, es sin embargo, todavía desconocida.

En este ejemplo, y2 es igual a la profundidad normal del flujo en el canal ya que el flujo aguas abajo es uniforme. Si el flujo aguas abajo no es uniforme sino gradualmente variado, entonces la profundidad en la intersección F’ del perfil aguas abajo con la curva A’F’B debería tomarse como y2. Esto también es una aproximación, porque la profundidad actual y2 debería estar en F, cuya posición es desconocida todavía.

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Después que la longitud del salto este determinada, una intersección horizontal EF igual a 9.6 ft. se encuentra entre la curva A’F’B y CF’D. El salto hidráulico ocurrirá, entonces entre G y F. Como se ve en la Fig. 15-8, el salto parece iniciarse a una distancia aproximada de 140 ft. de la vena contraída. Ya la ubicación del salto está determinada, las aproximaciones mencionadas arriba pueden ser controladas, y se pueden hacer determinaciones más exactas mediante la repetición del proceso, si se desea. Tales verificaciones parecen innecesarias, sin embargo, teniendo en cuenta las aproximaciones incluidas en la teoría y otros aspectos del problema. (CHOW, 2004, págs. 376 - 378)

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II.

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CONCLUSIONES:  Se pudo lograr estudiar y entender sobre la localización o ubicación del salto hidráulico en un canal.  Se analizó satisfactoriamente el comportamiento del salto hidráulico en diferentes estructuras tanto aguas arriba como aguas abajo, en la que se describió las diferentes situaciones que suelen presentarse en la práctica del flujo en canales abiertos.  Se pudo comprobar que el análisis de diversos autores es casi parecido con lo que expone Ven Te Chow, que es que realiza el análisis más detallado. pág. 14

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III.

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BIBLIOGRAFÍA:

 Chow, Ven Te (2004). Hidráulica de canales abiertos. Bogotá: Nomos S.A..

 Villar Bejar, Maximo (1995). Hidraúlica de canales. San José: Editorial Tecnológica de Costa Rica.

 W. King, O. Wisler, G. Woodburn (1985). Hidraulica. Mexico DF.: Trillas.

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