clase 03 conductos a superficie libre obras hidraulicas

CONDUCTOS A SUPERFICIE CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRELIBRE

33°° claseclase

Ing. Alejandro Zapata

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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDESFACULTAD DE INGENERIA

CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL



2.3.1 Elementos Cinéticos



2.3.1 Elementos Dinámicos

Unidad

s/u n

Perdida de carga por friccion m hf En un tramo "L" del canal

s/u S = hf / L

Coeficiente de rugosidad

Pendiente hidraulica

Detalle Variable



2.4. Métodos para el diseño hidráulico de los canalesEl diseño de los canales se debe efectuar teniendo en cuenta los tipos de flujos siguientes:

Flujo UniformeCuando permanecen constantes el tirante, la velocidad media el gasto y la pendiente hidráulica del tramo.

Flujo Variado ContinuoCuando son constantes el tirante, la velocidad medía, el gasto. y lapendiente hidráulica.

Flujo Variado DiscontinuoCuando el gasto es variable de sección a sección.

Flujo TransitorioCuando el gasto varía con el tiempo.

2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE



Las dimensiones de la sección y su pendiente determinan el estado de flujo del agua en cada sección

En la hidráulica, entre los estados de flujo de un líquido se distinguen los de un flujo subcrítico, crítico y supercrítico. La medida para definir estos estados es el número de Froude Fr, que se define como la relación entre la velocidad del flujo V y la velocidad de las ondas gravitacionales (celeridad):




Cuando el número de Froude es menos que 1.0. se habla de un flujo subcrítico, que es un flujo de velocidad baja y tranquila. En el estado subcrítico las ondas gravitacionales pueden propagarse en dirección aguas arriba. porque la celeridad es suficientemente grande para vencer la velocidad del flujo.

Cuando el número de Froude es mayor a 1.0, el flujo es supercrítico, con una alta velocidad y que se conoce como rápido y hasta torrencial. En el estado supercrítico es imposible que una onda gravitacional se propague hacia aguas arriba, porque la celeridad es menor que la velocidad del flujo.

Cuando el número de Fronde es igual a 1.0, el flujo es crítico.




La transición del estado subcrítico a supercrítico es un proceso gradual y generalmente tranquilo. La aceleración del agua genera un gradual aumento de la velocidad y una consecuente reducción del tirante.

Por definición la aceleración de subcrítico a supercrítico pasa por el estado crítico.

Contrariamente, el cambio del estado supercrítico al estado subcrítico es un proceso turbulento. Obligatoriamente pasa por un resalto hidráulico en el que la energía cinética se convierte en energía potencial. La intensidad del resalto y la propagación de eventuales ondulaciones en el canal aguas abajo dependen del número de Froude del flujo supercrítico.




2.4. Métodos para el Diseño hidráulico de Canales

Existen varios métodos dentro de ellos podemos indicar:

- Método del Ing. Enrique Góngora Pareja (Tablas)- Método del Ing. Lizandro Mercado (Nomogramas)- Fórmula de Chezy- Fórmula de Manning

La formula de Manning es la mas conocida y aplicada mundialmente la cual desarrollaremos en los siguientes ítems




La fórmula de Chezy




La fórmula de Chezy…

Resulta la fórmula de Chezy para canales. sólo aplicable cuando el régimen es uniforme:




2.5. Ecuaciones de la Hidrodinámica aplicadas a Canales

El flujo uniforme sólo es posible en un canal de sección transversal constante, mientras si en un canal se presentan secciones transversales diferentes, el flujo es variado y puede presentarse en una corriente acelerada o en un remanso.

Las ecuaciones a aplicarse en los canales con flujo uniforme. esdecir cuando son constantes el tirante normal, la velocidad media, la pendiente hidráulica y el gasto se Indican a continuación.




2.5.1 Principio de Continuidad o de Conservación de la MasaQue expresa que para un escurrimiento uniforme el caudal es constante en dos secciones de área y velocidad diferentes si no existen aportaciones ni extracciones, del mismo.

Q = V1 x A1 = V2 x A2




2.5.2 Ecuación de la energía o Teorema de BernoulliEl principio de conservación de la energía se expresa así: Para un tramo la energía de entrada debe ser Igual a la energía en la sección de salida su ecuación es:




2.5.3 Ley de Impulso o Cantidad de movimientoSegún esta ecuación: La variación de la cantidad de movimiento de una masa de agua que fluye a través de un tramó de canal en la unidad de tiempo es Igual al Impulso resultante de las fuerzas actuantes sobre ella.

Siendo su expresión la siguiente:




2.5.3 Ley de Impulso o Cantidad de movimientoLa ecuación anterior tiene los factores que se indican a continuación:

P1 y P2 Resultantes de las presiones que actúan sobre el cuerpo Ubre del agua,W Peso de la masa de agua del tramo Angulo que determina la pendiente geométricaFf Fuerzas externas (fricción y otras resistencias)ɤ Peso volumétrico del agua. Coeficientes de corrección para la utilización de las velocidades medias

llamadas coeficientes de Boussinesq.V1 y V2 Velocidad antes y después del cambio.Q Caudal o gasto.




2.5.3 Ley de Impulso o Cantidad de movimientoEl valor del coeficiente de Boussinesq se calcula a partir de la formula de cantidad de movimiento donde:

Cantidad de Movimiento CM1 = ƿ Q V

En un punto cualquiera δQ = V δ A

Cantidad de Movimiento CM = ʃ ƿ ((V δA) V) CM = ƿ ʃ (V2 δA)

Este sería el valor exacto de la cantidad de movimiento, pero para simplificar se utilizan las velocidades medias y se tiene un valor aproximado. CM = CM1




2.5.3 Ley de Impulso o Cantidad de movimientoEl valor del coeficiente de Boussinesq se calcula a partir de la formula de cantidad de movimiento donde:

Cantidad de Movimiento CM1 = ƿ Q V

En un punto cualquiera δQ = V δ A

Cantidad de Movimiento CM = ʃ ƿ ((V δA) V) CM = ƿ ʃ (V2 δA)

Este sería el valor exacto de la cantidad de movimiento, pero para simplificar se utilizan las velocidades medias y se tiene un valor aproximado. CM = CM1

Por tanto




2.5.3 Ley de Impulso o Cantidad de movimientoEl coeficiente de Boussinesq se relaciona con el coeficiente de Coriolis mediante la ecuación siguiente:

Para casos prácticos α = = 1

Para tuberías se tiene α = 2 = 4/3En el cuadro siguiente se dan los valores de y para diferentes tipos de conductos.




2.5.3 Ley de Impulso o Cantidad de movimientoLa ley del Impulso es de gran utilidad para problemas en los cuales se desconocen las pérdidas que ocurrirán en un tramo, dado que las fuerzas son externas y pueden ser calculables sólo para fenómenos locales.




Tarea N° 03:

Con la hoja electrónica desarrollada, para un Q=200 l/s, SO=2 O/OO; n=0.016, b=0.4 m se le pide responder a las siguientes preguntas:

1.¿Cuál es la sección de canal mas eficiente entre un canal rectangular y uno trapezoidal (z=0.5) y por que?

2.¿Cuál es la sección de canal mas eficiente entre un canal semicircular (b=Diámetro) y uno trapezoidal (z=0.5) y por que?

LECTURASLECTURAS



Temas para el control de Lectura 02:

1. ¿Qué es la velocidad máxima de erosión?2. ¿Qué es la velocidad minima de sedimentación?3. ¿Qué es la Máxima Eficiencia Hidráulica?4. ¿Qué es el Bordo libre?

LECTURASLECTURAS

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