TIPOS DE FLUJO EN CANALES

FACULTAD DE INGENIERA

ESCUELA DE INGENIERA CIVIL

UNIVERSIDAD SAN PEDRO

CURSO : Mecnica de Fluidos II CICLO : VI TEMA : Flujo En Canales. Cap 6 y Cap7 DOCENTE : Ing. Dante Salazar Snchez ALUMNO : Valleumbroso Villa Freddy CODIGO : 1110100583 FECHA : 01/05/2013

CHIMBOTE - PER

TIPOS DE FLUJO EN CANALES

1. INTRODUCCION

El flujo dado en los canales abiertos se da cuando los lquidos fluyen por la accin de la

gravedad y solo estn parcialmente envueltos por un contorno slido. En el flujo de canales

abiertos, el lquido que fluye tiene superficie libre y sobre l no acta otra presin que la

debida a su propio peso y a la presin atmosfrica.

El flujo en canales abiertos tambin tiene lugar en la naturaleza, como en ros, arroyos, etc.

De forma artificial, creadas por el hombre, tiene lugar en los canales, acequias, y canales de

desage.

En la mayora de los casos. Los canales tienen secciones rectas regulares y suelen ser

rectangulares, triangulares o trapezoidales. Tambin tienen lugar el flujo de canales abiertos

en el caso de conductos cerrados, como tuberas de seccin recta circular cuando el flujo no es

a conducto lleno. En los sistemas de alcantarillado no tiene lugar, por lo general, el flujo a

conducto lleno, y su diseo se realiza como canal abierto

TIPOS DE FLUJO EN CANALES

CALCULO DE CANALES

Condiciones normales

Para poder realizar el clculo de canales tomamos como punto de partida un caudal Q en donde el movimiento es uniforme y permanente teniendo adems una profundidad denominada tirante determinada por la pendiente, la rugosidad, la forma de la seccin transversal y por el caudal . El tirante con el que escurre el agua en estas condiciones se llama tirante normal. El tirante normal es lo que caracteriza al movimiento permanente y uniforme, por ello para el clculo de la velocidad media en un conducto en el cual V es la velocidad media, C el coeficiente de Chezy, R el radio hidrulico y S la pendiente.

La velocidad media puede expresarse tambin por medio de la ecuacin de Colebrook

White

Esta ecuacin es equivalente a la de Chezy.

Valores de Rugosidad absoluta K

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Frmulas antiguas

a) Frmula de Ganguillet-Kutter

Se bas en numerosas mediciones, durante muchos aos estuvo bastante extendido el uso de esta frmula. Su expresin es

C es el coeficiente de Ganguillet-Kutter a usarse en la frmula de Chezy, S es la pendiente, R el radio hidrulico y n un coeficiente de rugosidad (de Kutter)

b) Frmula de Kutter

Para pendientes mayores que 0,0005 (1/2 000) la frmula de Ganguillet-Kutter tiene una forma particular establecida por Kutter y que es independiente. La frmula es

Los valores del coeficiente de rugosidad m son diferentes de los valores de n (Kutter). R es el radio hidrulico. C es el coeficiente a usarse en la ecuacin de Chezy

c) Frmula de Bazin

En esta formula C es el coeficiente a usarse en la frmula de Chezy, R el radio hidrulico, G el coeficiente de rugosidad de Bazin.

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Frmula de Manning

Es la frmula cuyo uso se halla ms extendido en la actualidad. Proviene de considerar que en la frmula de Chezy el coeficiente C es

de donde al sustituir se obtiene la frmula de Manning

y el gasto es

Discusin de los valores del coeficiente de rugosidad n a emplearse en la frmula de

Manning

Bsicamente se presentan dos problemas de naturaleza diferente

a) Dado un curso de agua existente calcular el gasto Q que puede escurrir, aplicando la frmula de Manning. Para ello se requiere estimar el valor de n que corresponde al cauce.

b) Dado un problema de diseo hay que considerar para la superficie (revestimiento) que va a tener el canal, cual es el valor de n que se le asigna.

El coeficiente n depende, pues, esencial, pero no exclusivamente de la aspereza de la superficie. Tambin interviene lo siguiente

a) Curvas. No es correcto considerar el coeficiente de rugosidad, que estrictamente es un coeficiente de resistencia, como independiente del alineamiento del canal. La presencia de curvas aumenta la resistencia. Especialmente si estas son numerosas y de pequeo radio de curvatura.

b) Vegetacin. Es particularmente importante en canales pequeos. Su crecimiento puede alterar esencialmente los valores supuestos en base nicamente a la rugosidad. Es frecuente

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en canales en tierra. Su crecimiento desmedido puede dar lugar fcilmente a aumentos del orden del 50 % en el valor de n.

c) Irregularidades. Los canales en tierra se caracterizan por no tener una seccin transversal invariable. Las pequeas irregularidades que pueden ocurrir como consecuencia de bancos, depsitos de sedimentos, etc. alteran el valor de la rugosidad supuesta.

d) Tirante. En general al aumentar el tirante se tendr, de acuerdo a la teora, que la rugosidad relativa disminuye y por lo tanto tambin debe disminuir el coeficiente n

En esas condiciones podemos disear diversas secciones transversales: rectangular,

trapecial, semicircular, etc. Observamos varias secciones transversales que se caracterizan

por tener todas un radio hidrulico de 1 m.

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Los factores limitantes para el diseo se ocasiona por partculas slidas (sedimentos), debido a que en muchos casos el agua contendr partculas en suspensin (arenas, limos, arcillas) de diferente dimetro.

Sin embargo, se considera que, por lo menos en primera aproximacin, la velocidad media es un parmetro til para examinar la posibilidad de sedimentacin. Cada partcula slida se mantiene en suspensin en funcin de la relacin que existe entre su velocidad de cada w y la velocidad V de la corriente.

El talud de la seccin depende de la naturaleza del terreno. Desde el punto de vista

puramente hidrulico se puede lograr los mismos resultados con un canal de cualquier

forma.

Los taludes que generalmente se recomienda son los siguientes (en seco)

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Dnde:

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

Hay muchas secciones transversales que satisfacen las ecuaciones de la velocidad media en

movimiento uniforme. Como normalmente los datos son Q, n, z y S, hay muchas

combinaciones de las incgnitas b e y , que satisfacen la frmula de Manning.

Puede darse el caso que haya libertad para escoger los valores del ancho en la base y el

tirante.

En estos casos puede buscarse la seccin de mxima eficiencia hidrulica que es cuando

para la misma rea, pendiente y calidad de paredes deja pasar un gasto mximo. O bien, es

aquella que para el mismo gasto, pendiente y calidad de paredes tiene un rea mnima.

Para obtener la seccin de mxima eficiencia hidrulica en la prctica se reemplaza la

seccin semicircular por una trapecial.

Nos interesa es la relacin que debe haber entre b e y para que la seccin sea de mxima

eficiencia hidrulica. Llamemos m a esta relacin

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Concepto de borde libre

Se denomina borde libre a la altura (tirante) adicional que se da a fin de absorberlos niveles

extraordinarios que puedan presentarse por encima del caudal de diseo de un canal.

Por qu puede presentarse en un canal un tirante mayor que el correspondiente al del gasto

de diseo?

Las razones son entre otras las siguientes

a) Cuando se calcula la seccin transversal de un canal hay que suponer un valor para la

rugosidad, pero, en el momento de la construccin y por causas que escapan al ingeniero

diseador puede ser que la superficie tenga una mayor rugosidad. En consecuencia, se

requerir de un tirante mayor para que escurra el mismo caudal.

Tambin puede ocurrir que con el paso de los aos el revestimiento del canal se deteriore y

tienda ha hacerse ms rugoso. Si este fenmeno fuera ms intenso que el previsto, la

diferencia es tomada por el borde libre.

b) Una mala operacin en las compuertas de entrada al canal puede dar lugar a que ingrese

a ste un caudal mayor que el de diseo.

En consecuencia, en la determinacin de la magnitud del borde libre juega un gran papel la

naturaleza del terreno en que est construido el canal. Si el canal rebalsa y est en zona

arenosa las consecuencias pueden ser mucho ms graves que en otro tipo de suelo. Para

dimensionar el borde libre (entendido como una altura vertical adicional al tirante) debemos

tener en cuenta la forma de la seccin transversal y esencialmente la curva gasto-tirante.

Supongamos que se tiene dos secciones transversales como las mostradas a continuacin

Si ambas tienen similares velocidades, es evidente, y puede demostrarse mediante el

clculo, que un borde libre igual en ambas, representar en la primera un pequeo aumento

de caudal y en la segunda un aumento de caudal bastante mayor.

El anlisis de la curva gasto-tirante nos permite visualizar el problema del borde libre bajo

una perspectiva diferente. No pensemos nicamente en centmetros adicionales para el

tirante, sino en su equivalente en metros cbicos por segundo.

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Clculo de canales de seccin compuesta

Una seccin compuesta est formada por la suma de dos figuras geomtricas. Tambin

puede ocurrir algo similar en un cauce natural. Un ro tiene en poca de estiaje un caudal

pequeo, pero en poca de abundancia tiene un caudal grande que ocupa las reas

adyacentes.

Una seccin compuesta se puede dividir en N secciones parciales de modo que el gasto

total Q es igual a la suma de los gastos parciales

Cada parte de la seccin tiene su propia rugosidad: 1 n , 2 n ,......, N n

Siendo,

El gasto total es

De donde,

que es la expresin de la velocidad media en una seccin compuesta.

Rugosidad compuesta

Un canal puede ser construido de modo que el fondo y las paredes tengan rugosidades

diferentes. En este caso habr dos valores para el coeficiente de rugosidad. Uno para el

fondo y otra para las paredes. Se dice entonces que el canal es de rugosidad compuesta.

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Escurrimiento en tubo parcialmente lleno

Es frecuente tener un conducto cerrado llevando un fluido que no ocupa totalmente la

seccin transversal. Podra ser, por ejemplo, un tnel, una tubera de desage o una

alcantarilla.

En cualquiera de estos casos el conducto no trabaja a presin e hidrulicamente es un canal.

Examinemos el caso de un tubo circular parcialmente lleno

Mediante simples consideraciones geomtricas se puede determinar el rea, permetro y

dems elementos de la seccin transversal ocupada por el fluido. Sin embargo, los clculos

se pueden simplificar con el grfico de Figura 6.6 "Caractersticas geomtricas de la

seccin circular" que nos da para cada valor de la relacin y D el correspondiente valor del

rea, permetro, tirante hidrulico y radio hidrulico.

Consideremos una tubera cuyo dimetro es D y cuyo radio es r . El flujo corresponde a un

tirante y

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FLUJO CRITICO NORMAL. PENDIENTE CRITICA:

Mientras la velocidad de la corriente sea baja lo ms probable es que estemos lejos de

las condiciones crticas.

Pero, cuando la pendiente es grande o cuando haya revestimientos muy lisos se puede

conseguir velocidades altas y acercarse o igualar las condiciones crticas.

En principio no hay inconveniente, desde el punto de vista puramente hidrulico, en

tener un rgimen supercrtico. Las dificultades se originan en la necesidad de

mantener el revestimiento y, por ejemplo, dar servicio a lo largo del canal.

Lo que si debe evitarse es el rgimen crtico. En condiciones crticas el tirante normal

es igual al tirante crtico. La pendiente correspondiente se llama pendiente crtica.

La pendiente crtica se calcula igualando la velocidad crtica con una ecuacin de la

velocidad normal.

Que es la ecuacin de la pendiente crtica, si se usa la frmula de Manning. Si

hubiramos empleado, por ejemplo, la ecuacin de Chezy, entonces la pendiente

crtica sera:

PENDIENTE CRTICA MINIMA :(PENDIENTE LMITE,)

En un canal de geometra dada se puede establecer para cada gasto la pendiente crtica correspondiente. De todas las pendientes crticas posibles hay, para determinada seccin, una que es la mnima. Se le llama pendiente lmite ( SL ).

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TRANSICIONES:

De la superficie libre en un canal en el que hay un cambio en la seccin transversal. Este

cambio puede originarse en una pequea grada de fondo, positiva o negativa, segn que el

fondo ascienda o descienda. Las transiciones se originan tambin por un cambio en el

ancho del canal y se llaman contracciones si el ancho disminuye y expansiones si aumenta.

Para el estudio del perfil de la superficie libre en una transicin suponemos que la prdida

de carga es despreciable. En consecuencia cualquiera que sea la transicin se tendr que

entre dos secciones 1 y 2 la ecuacin de la energa es

INTERPRETACION DE LA CAIDA LIBRE DESDE UN PUNTO DE VISTA DE LA ENERGIA ESPECIFICA:

Si al extremo de un canal se produce una cada, hay un cambio de rgimen: se pasa de un movimiento uniforme a un movimiento gradualmente variado, y por ltimo, sobre el plano de la grada hay un movimiento rpidamente variado.

En una seccin cualquiera ubicada aguas arriba la energa es E . Al desplazarnos hacia la cada la energa especfica va disminuyendo hasta llegar a Emin , (lo que ocurre tericamente sobre el plano de la grada y corresponde a condiciones crticas).

Sobre la grada el tirante no puede ser menor que el crtico pues esto implicara un aumento de energa.

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FUERZA ESPECIFICA (MOMENTA):

Cada uno de los dos trminos de la ecuacin de la Fuerza Especfica es dimensionalmente

una fuerza por unidad de peso de agua.

Es la cantidad de movimiento del fluido que pasa por la seccin, por unidad de tiempo y

por unidad de peso.

Es la fuerza hidrosttica por unidad de peso.

A la suma de ambos trminos se le llama Fuerza Especfica o Momenta

SALTO HIDRAULICO:

El salto hidrulico es el paso violento de un rgimen supercrtico a uno subcrtico con gran disipacin de energa. Tambin se le llama resalto.

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Tipos de salto:

En funcin del nmero de Froude y segn el U. S. Bureau of Reclamation se distingue los

siguientes tipos de salto

F=1 Flujo crtico, no hay salto

1 < F < 1,7 salto ondular (la superficie libre presenta ondulaciones) 1,7 < F < 2,5 salto dbil. La disipacin de energa es pequea 2,5< F < 4,5 salto oscilante. Se produce el efecto de chorro. Hay ondas superficiales 4,5 < F < 9 salto permanente o fijo. Buena disipacin de energa (45 - 70 %) F > 9 salto fuerte. Gran disipacin de energa (85 %)

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CONCLUSIONES

Un flujo en canal abierto se refiere al flujo de lquidos en canales abiertos a la atmsfera o en conductos parcialmente llenos La mayora de los canales no son horizontales y por el contrario tienen una pendiente en el fondo y otra en le superficie, las mismas junto con la longitud del canal son las que nos van a dar la perdida de energa producida por el canal. Para el diseo de las mejores secciones transversales de un canal se tienen que tener en cuenta varios aspectos como lo son el rea, la pendiente el permetro hmedo. Adems de que debe cumplirse para todas las secciones que el radio debe ser la mitad de la altura. Una herramienta muy til a la hora de disear una seccin transversal es la tabla de manning la cual nos va a indicar el valor del nmero de rugosidad inicial segn las condiciones del canal, estas rugosidades muy escasamente permanecen as en el tiempo. Cuando en un canal el flujo es supercrtico quiere decir que la tiene exceso de energa por lo tanto el nmero de Froude es mayor a uno, esta energa hay que disiparla ya que es muy peligrosa porque trae corrientes internas muy fuertes que se llevan todo a su paso, por lo general las corrientes son imperceptibles en la superficie. Para disipar la energa se utiliza el salto hidrulico.

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