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Mecánica de Fluidos 2
FLUJO RÁPIDAMENTE VARIADO: RESALTO HIDRAULICO
INTEGRANTES:
FLORES QUEGUE BRANDON
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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.
FLUJO RÁPIDAMENTE VARIADO: RESALTO HIDRÁULICO
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.
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 a continuación.
Lugares apropiados para formarse el resalto hidráulico
En un resalto como el que se muestra en la imagen se pueden realizar las
siguientes observaciones:
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 esas imágenes 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 el.
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.
Además de su merito 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.
ECUACIONES DEL RESALTO HIDRAULICO PARA DIFERENTES FORMAS DE SECCIÓN:
CANAL RECTANGULAR:
Para un flujo supercrítico en un canal horizontal rectangular, la energía del flujo se
disipa progresivamente a través de la resistencia casada por la fricción a lo largo de
las paredes y del canal, resultando una disminución de velocidad y un aumento de
la profundidad en la dirección del flujo. Un salto hidráulico se formara en el canal si
el numero de Froude del flujo la profundidad y una profundidad aguas abajo
satisfacen la ecuación.
LONGITUD DE RESALTO
La longitud del resalto, ha recibido gran atención por parte de los investigadores, pero hasta ahora no se ha desarrollado un procedimiento satisfactorio para su cálculo. Sin duda esto se debe al hecho de que el problema no ha sido analizado teóricamente, así como a las complicaciones prácticas derivadas de la inestabilidad general del fenómeno y la dificultad en definir las secciones de inicio y fin del resalto.
Tipos De Resalto Hidráulico:
Resalto ondular:
Para F1 > 1.0 y < 1.7: La superficie del agua muestra ondulaciones.
Resalto Débil: Para F1 > 1.7 y < 2.5. 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.
Resalto Oscilante: Para F1>2.5 y < 4.5. Se produce un chorro oscilante
entrando el salto del fondo a la superficie una y otra vez sin periodicidad. Cada
oscilación produce una gran onda de periodo irregular, la cual comúnmente
puede viajar por varios kilómetros causando daños aguas abajo en bancos de
tierra y márgenes.
Resalto Permanente: Para F1 > 4.5 y <9.0. 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 variación en la profundidad aguas
abajo. El salto esta bien balanceado y el rendimiento en la disipación de
energía es el mejor, variando entre el 45 y el 70 %.
Resalto Fuerte: Para F1 =9.0 o mayor 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 %.
Problema
Un Canal rectangular de 15m de ancho se inicia al pie de un cimancio que tiene
una altura de 4.27 del piso a la cresta, dicho cimancio tiene la misma longitud de
cresta que el ancho del canal y con una carga h= 2.43 m sobre la misma, deberá
descargar un caudal Q= 112.5 m3/s.
El canal sera excavado en tierra con un coeficiente de rugosidad n= 0.025 y el
regimen de flujo debe ser subcritico. Uniforme Determinar la pendiente
necesaria en el canal para que el resalto hidraulico se inicie justo al pie de la
caida, así como la longitud L, (usando la fórmula de Sieñchin), de la zona que
debe revestirse. (considerar como pérdida la energía por fricción sobre el
cimancio 0.1 V12/2g).
Solución:
Q = 112.5 m3/s
B = 15.00 m
Y0 =6.70 m
N =0.03 m
hf =0.1 V12/2g
Aplicando la ecuación de la energía, entre 0 y 1 y tomando como NR el fondo
del canal, se tiene:
Z1 + Y1 +V12
2g= Z2 + Y2 +
V22
2g+ hf
Dónde:
Z0=Z1=0
V0 = 1.1194
V02
2g = 0.0639
Yo + V02
2g = 6.7639
Luego: en el segundo miembro de la ecuación tenemos
Remplazando valores se tiene la ecuación:
Y1 = 0.7225 m Y2 = 3.6391 m
F y = 5.144 ∗ 10−5
L = 14.583 m
Calculo de la pendiente para que el resalto se inicie justo al pie de la caída, se
debe cumplir que:
Yn = Y2 = 3.6391 m
A = 3.6391 m
p = 3.6391 m
De la ecuación de manning se tiene:
S = 0.00080366 = 0.8 ° °°