Resalto Hidráulico

INTRODUCCION En las instalaciones hidráulicas las tuberías y canales toman un rol importante al momento de crear sistemas adecuados y eficientes para el funcionamiento de cualquier tipo de trabajo, que sea necesario el transportar y direccionar cualquier tipo de fluido (liquido). Por lo cual el conocimiento de las características y fenómenos que actúan en las tuberías y canales es muy importante para tomar mejores decisiones en el momento de crear un sistema hidráulico, como por ejemplo, el estudio y determinación de energía específica y resalto hidráulico es un tema muy importante, ya que la energía especifica es la energía de agua que fluye a través de la sección, la cual es utilizada para resolver los más complejos problemas de transiciones cortas en los canales. Por el otro lado el resalto hidráulico es un fenómeno dado por el cambio de un régimen supercrítico a un régimen subcrítico. En el siguiente reporte encontraremos el análisis de ambos fenómenos y determinaremos su existencia y valor numérico por medio de un ensayo demostrativo realizado.

OBJETIVOS General Determinar la formación del resalto hidráulico y la disipación de la energía especifica de este resalto, en el canal utilizado. Específicos

 Identificar los tipos de flujo (crítico, supercrítico y subcrítico) en cada sección, utilizando el número de Froude calculado.  Representar e interpretar la gráfica de la energía específica para el resalto hidráulico analizado.

 Demostrar por medio de una comparación valor teórico- valor experimental, el tirante Y2

, por medio de la formula y los datos tomados en el ensayo demostrativo.

ENERGÍA ESPECÍFICA Es una cantidad útil para el estudio del flujo de canales abiertos y fue introducida por Boris Alexandrovich Bakhmeteffen 1912 en su libro “Hidráulica de canales abiertos” (Hydraulics of Open Channels), en la realidad podemos encontrar muchos ejemplos de canales abiertos, así como los ríos, las canaletas pluviales y muchos ejemplos más. Al estudiar la energía en el flujo de estos canales abiertos, se involucra la energía que posee el fluido en una sección particular de interés. La energía total se mide en relación con la plantilla del canal, y se compone de la energía potencial debido a la profundidad del fluido, más la energía cinética debido a su velocidad. Esta energía se denota con una E y se obtiene mediante la siguiente formula. v2 E= y+ ( Ecuacion No . 1) 2g En donde: y = profundidad del fluido v= velocidad promedio del flujo. En esta ecuación los términos están definidos por unidades de energía por unidad de peso de fluido en movimiento. En canales abiertos por lo general se hace referencia a la energía específica como E y también se puede encontrar para una descarga Q (caudal), como: Q2 E= y+ (Ecuacion No . 2) 2 2g A

TIPOS DE FLUJO EN CANALES Los tipos de flujo que se pueden dar según el número de Froude en canales abiertos son tres que son:

 Flujo Crítico (

N F =1 )

 Flujo subcrítico ( N F < 1 )  Flujo supercrítico ( N F > 1 ) Pero para antes conocer estos flujos es necesario conocer el número de Froude, que se define como la relación de las fuerzas inerciales a las gravitacionales, es decir que el mecanismo principal que sostiene flujo en un canal abierto es la fuerza de gravitación.

Por ejemplo, la diferencia de altura entre dos embalses hará que el agua fluya a través de un canal que los conecta. Y está definido como: v N F= (Ecuacion No .3) √ g yh En donde: yh

= Profundidad hidráulica que está definida por:

y h=

A T

en

donde T es el ancho de la superficie libre del fluido en la parte superior del canal.

Figura No. 1 Energía Específica En la graficase encuentra una línea a 45⁰ que representa a E=y. Para cualquier punto sobre la curva la distancia horizontal entre esta línea y

el eje y representa la energía potencial y. la distancia restante a la curva de la energía especifica es la energía cinemática, se puede demostrar también que cuando el valor de la energía especifica es mínima es cuando el flujo se encuentra en estado crítico, es decir NF cuando = 1, y su profundidad es denominada profundidad critica yc

. El flujo es subcritico para cualquier profundidad que sea mayor a

la profundidad crítica y es supercrítico a cualquier profundidad menor a la crítica. Como se puede observar en la siguiente figura a pesar que y1 y2 esta debajo de la profundidad crítica y esta por arriba, tienen la misma energía. Se denomina a las dos trayectorias,

y1

y

y2

,

como trayectorias alternas de la energía especifica E.

RESALTO HIDRÁULICO En 1818, el italiano Bidone realizo las primeras investigaciones experimentales del resalto hidráulico. Esto llevó a Bélanger en 1928 a diferenciar entre las pendientes suaves (subcrítico) y las empinadas (supercríticas), debido a que observo que en canales empinados a menudo se producían resaltos hidráulicos generados por barreras en el flujo uniforme original. En un principio, la teoría del resalto desarrollada corresponde a canales horizontales o ligeramente inclinados en los que el peso del agua dentro del resalto tiene muy poco efecto sobre su comportamiento y, por consiguiente, no se considera en el análisis. Sin embargo los resultados obtenidos de este modo pueden aplicarse a la mayor parte de los canales encontrados en problemas de ingeniería. Para canales con pendiente alta el efecto del peso del agua dentro del resalto puede ser tan significativo que debe incluirse en el análisis. Los saltos hidráulicos ocurren cuando hay un conflicto entre los controles que se encuentran aguas arriba y aguas abajo, los cuales influyen en la misma extensión del canal. Este puede producirse en cualquier canal, pero en la práctica los resaltos se obligan a formarse en canales de fondo horizontal, ya que el estudio de un resalto en un canal con pendiente es un problema complejo y difícil de analizar

teóricamente. El salto hidráulico puede tener lugar ya sea, sobre la superficie libre de un flujo homogéneo o en una interface de densidad de un flujo estratificado y en cualquiera de estos casos el salto hidráulico va acompañado por una turbulencia importante y una disipación de energía. Cuando en un canal con flujo supercrítico se coloca un obstáculo que obligue a disminuir la velocidad del agua hasta un valor inferior a la velocidad crítica se genera una onda estacionaria de altura infinita a la que se denomina resalto hidráulico, la velocidad del agua se reduce de un valor V1 > C a V2 < C, la profundidad del flujo aumenta de un valor bajo Y1 denominado inicial a un valor Y2 alto denominado se cuente.

Resalto En Canales Rectangulares Para un flujo supercrítico en un canal rectangular horizontal, la energía del flujo se disipa a través de la resistencia friccional a lo largo del canal, dando como resultado un descenso en la velocidad y un incremento en la profundidad en la dirección del flujo. Un resalto hidráulico se formara en el canal si el número de Froude (F1) del flujo, la profundidad del flujo (Y1) y la profundidad (Y2) aguas abajo satisfacen la ecuación: Y2 1 = ( √ 1+8 F 21−1 ) ( Ecuai on No. 1) Y1 2

Resalto En Canales Inclinados En el análisis de resaltos hidráulicos en canales pendientes o con pendientes apreciables, es esencial considerar el peso del agua dentro del resalto, por esta razón no pueden emplearse las ecuaciones de momento, ya que en canales horizontales el efecto de este peso es insignificante. Sin embargo puede emplearse una expresión análoga a la ecuación utilizando el principio de momento que contendrá una función empírica que debe determinarse experimentalmente.

Figura No. 1 Resalto Hidráulico

Clasificación Los resaltos hidráulicos en fondos horizontales se clasifican en varias clases y en general esta clasificación se da, de acuerdo con el número de Froude (F1) del flujo entrante. Para F1=1 el flujo es crítico y por consiguiente no se firma resalto, para 1.0