Salto Hidráulico

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Salto hidráulico. El salto hidráulico fue investigado por primera vez experimentalmente por  Giorgio  Giorgio Bidone,  Bidone,  un científico italiano en 1818 1818..1 El salto hidráulico es conocido también como una onda estacionaria. estacionaria.2 El salto hidráulico es un fenómeno de la ciencia en el área de la hidráulica que es frecuentemente observado en canales abiertos como ríos y rápidos. Cuando un fluido a altas velocidades descarga a zonas de menores velocidades, se presenta una ascensión abrupta en la superficie del fluido. Éste fluido es frenado bruscamente e incrementa la altura de su nivel, convirtiendo parte de la energía cinética inicial del flujo en energía potencial, sufriendo una inevitable pérdida de energía en forma de calor. En un canal abierto, este fenómeno se manifiesta como el fluido con altas velocidades rápidamente frenando y elevándose sobre él mismo, de manera similar a cómo se forma una onda-choque.

Tipos de salto hidráulico. Los saltos hidráulicos se pueden clasificar, de acuerdo con el U.S. Bureau of Reclamation, de la siguiente forma, en función del número de Froude del flujo aguas arriba del salto (los límites indicados no marcan cortes nítidos, sino que se sobrelapan en una cierta extensión dependiendo de las condiciones locales): Para F1 = 1.0 : el flujo es crítico, y de aquí no se forma ningún salto. Para F1 > 1.0 y < 1.7 : la superficie del agua muestra ondulaciones, y el salto es llamado salto ondular . Para F1 > 1.7 y < 2.5 : tenemos un salto débil. Este se caracteriza por la formación de pequeños rollos a lo largo del salto, la superficie aguas abajo del salto es lisa. La pérdida de energía es baja. Para F1  > 2.5 y < 4.5 : se produce un salto oscilante. Se produce un chorro oscilante entrando al salto del fondo a la superficie una y otra vez

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sin periodicidad. Cada oscilación produce una gran onda de período irregular, la cual comúnmente puede viajar por varios kilómetros causando daños aguas abajo en bancos de tierra y márgenes. Para F1 > 4.5 y < 9.0 : se produce un salto llamado salto permanente: la extremidad aguas abajo del rollo de la superficie y el punto en el cual el chorro de alta velocidad tiende a dejar el flujo ocurre prácticamente en la misma sección vertical. La acción y posición de este salto son menos sensibles a la variación en la profundidad aguas abajo. El salto está bien balanceado y el rendimiento en la disipación de energía es el mejor, variando entre el 45 y el 70%. Para F1 = 9.0 o mayor : se produce el llamado salto fuerte: el chorro de alta velocidad agarra golpes intermitentes de agua rodando hacia abajo, generando ondas aguas abajo, y puede prevalecer una superficie áspera. La efectividad del salto puede llegar al 85%. Características básicas del salto hidráulico. Las principales características de

los saltos hidráulicos en canales rectangulares horizontales son: Pérdida de energía. La pérdida de energía en el salto es igual a la diferencia en

energía específica4 antes y después del salto. Se puede mostrar que la pérdida es:

La relación

se conoce como pérdida relativa.

Eficiencia. La relación de la energía específica después del salto a aquella antes

del salto se define como eficiencia del salto . Se puede mostrar que la eficiencia del salto es:

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Esta ecuación indica que la eficiencia de un salto es una función adimensional, dependiendo solamente del número de Froude del flujo antes del salto.

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Salto Hidráulico en cualquier Sección

En cualquier forma de sección, la profundidad Zg es su centro de gravedad y se puede calcular de acuerdo a la geometría de la sección del canal.

SALTO HIDRÁULICO EN CANALESRECTANGULARES, TRAPECIALES, TRIANGULARES, CIRCULARES Y DE HERRADURA. Deducción de la ecuación del salto hidráulico en canales de sección rectangular. Salto hidráulica d2 vale:

La cual es la ecuación general del salto hidráulico aplicada para canales rectangulares y vertedores. Donde: d2 = tirante conjugado mayor o salto hidráulico, en m. d1 = tirante conjugado menor, en m. q = gasto por unidad de ancho o unitario, en m3/seg. g = aceleración de la gravedad = 9.81 m/seg2

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Deducción de la ecuación del salto hidráulico en canales de sección triangular. En el análisis de una sección triangular para determinar el valor del conjugado mayor partimos del número de Froude. Deducción de la ecuación del salto hidráulico en canales de sección circular. Para este tipo de sección cabe la posibilidad de que se llene totalmente después del salto, por lo cual existen dos casos diferentes. 

Caso1. Flujo a superficie libre antes y después del salto



Caso 2. Flujo a presión después del salto.

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EL SALTO HIDRÁULICO EN CANALES RECTANGULARES Por la condición de equilibrio y de conservación, los momentos correspondientes a los tirantes conjugados deberán ser iguales y de acuerdo a la geometría tan simple de la sección, el cálculo se reduce a la aplicación directa de la siguiente expresión:     √ ²1+8F1²-1]

La longitud del salto hidráulico puede ser calculada con las siguientes expresiones:

EXPRESION

REFERENCIA

Lˢ = 9.75d1[Fr1-1]¹·º¹

USBR-1 (E-U)

Lˢ = d2[3.491+0.73Fr1-0.06Fr1²+0.001441Fr1³]

USBR-2 (E-U)

Lˢ =6(d2-d1)

Smetana (Rep. Checa)

Lˢ = 5.9 d1Fr1

Safranez (Alemania)

Lˢ =8.3d1(Fr1-1)

Einwatcher (Alemania)

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Salto hidráulico en un canal trapezoidal. Una solución parcial al problema del salto hidráulico en canal trapezoidal horizontal liso, ha sido obtenido empleando específicamente ciertas curvas, debido a que las ecuaciones relativas ha dicho fenómeno no conducen a expresiones explicitas utilizando calculadoras programables, se puede dar respuesta total al mencionado problema, ya que: Si se conoce la profundidad del flujo antes o después del salto, se puede obtener la otra (se cuente o conjugada), así como la energía disipada.  Al contrario, si el dato es suministrado es la energía o disipar, se calcula las profundidades se cuentes correspondientes a esta perdida. El salto hidráulico se define como el fenómeno físico que se produce en un canal cuando un flujo pasa de supercrítico a subcritico, manifestándose a una elevación brusca de la superficie del agua. Entre las dos profundidades se visualiza algún grado de turbulencia (salto), lo que indica que cierta cantidad de energía se está disipando. De acuerdo con las figuras 1 y 2: Q = Caudal o gasto en M³/seg. A = Área mojada en M²/seg. b = Ancho del canal en M. T = Ancho superior en M. y1 = Profundidad antes del salto en M. y2 = Profundidad después del salto en M. y = Profundidad del centroide del área mojada.

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yc = Profundidad critica en M. m = Pendiente de las paredes del canal. V1 = Velocidad del agua antes del salto M/Seg. V2 = Velocidad del agua después del salto M/Seg. E = Energía especifica en M. D = Perdida de energía en el salto hidráulico en M. DE% = Porcentaje de perdida de energía en el salto. g = Aceleración de la gravedad 9.81m / Seg² Fe = Fuerza especifica en cualquier sección del canal M³.

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Longitud del resalto hidráulico. Se conoce como longitud del resalto hidráulico a la distancia horizontal desde la cara frontal del salto hasta un punto sobre la superficie del agua donde termina la ola asociada con el salto.

Esta distancia no se ha podido determinar

analíticamente, pero Silvester (1964) ha demostrado que la relación entre la longitud del resalto y la profundidad inicial es de la forma: Lr /yi=s (Fi-1) G Donde los valores para s y G dependen de la geometría de la sección del canal, que deberán verificarse experimentalmente en el laboratorio y en el campo y preliminarmente tienen estos valores, resumidos por French: Sección

s

G

Rectangular

9,74

1,010

Triangular con z=1,08

4,26

0,695

Parabólica para Fi