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7/25/2019 Resalto Hidraulico Ahogado

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RESALTO HIDRULICO AHOGADO

1)INTRODUCCIN.-El salto hidrulico es un fenmeno local, caracterizado por un ascenso brusco del nivel de

agua. Generalmente. la prdida de energa es importante y en este fenmeno se observa unfuerte turbulencia, acompaada de la formacin de espuma por el aireamiento del fluo,ruido, y accin dinmica sobre las paredes y el fondo del canal.En la figura ! se muestran algunos casos de salto hidrulico.

Este fenmeno puede provocarse en las conducciones libres con el fin de utilizar suscaractersticas. " continuacin se presentan algunos eemplos#a$ %ara disipar la energa al pie de rpidas y vertedores. &e esa manera se evita o reducepeligro de erosin en el canal aguas abao.b$ %ara elevar el nivel del agua en canales de medicin y en canales de regado, en loscuales se re'uieren niveles altos.c$ %ara mezclar productos 'umicos con el agua (floculantes, cloro, etc.$ con el fin de tratarel agua en las plantas purificadoras, y esta forma evitar el uso de mezcladores mecnicos.d$ )on el fin de mezclar el fertilizante con el agua de regado.e$ %ara airear el agua y meorar sus condiciones biolgicas.

En esta prctica en especial, se utilizarn adems del mtodo de *rea +elocidad, otros

mtodos como ser el del vertedero y el medidor electromagntico, para medir el caudal del

canal de ehboc-, dicho fluo estar sometido mediante una barrera de contencin 'ue lo

obligar a realizar un resalto hidrulico, ahora conociendo este caudal aforado, se podr

medir el resalto, y hallar su tirante inicial y su tirante crtico.


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2)OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL.-

&eterminacin de los tirantes inicial, crtico y conugado de un fluo 'ue realiza unresalto hidrulico ahogado.

OBJETIVOS ESPECFICOS.-

Estudiar la distribucin de velocidades 'ue se produce en la seccin transversal del

canal.

anear el molinete hidrulico a la perfeccin.

&eterminar los caudales de una seccin utilizando diferentes mtodos.3)DEFINICIONES:

1. Ti!"#$ %i%'.- "ltura a la cual el fluo sera crtico.

2. S$%%i(".- )orte transversal aplicado a un cuerpo, en este caso a un canal de ehbo-, seentiende por seccin al rea 'ue tiene la superficie de dicho corte trasversal.

3. F*+' ,*%i%'./0e da cuando el tirante de agua, est por encima del tirante crtico.

. F*+' %i%'.- 0e da cuando el tirante de agua est por debao del tirante crtico.

/. G!,#' ' C!*0!.- +olumen 'ue pasa por una determinada seccin en un determinadotiempo.

. Ti!"#$ 0$ !*!.- "ltura 'ue alcanza el agua desde el fondo del canal.

. E"$&! $,4$%i5i%!.- es la relacin entre la energa mnima y el tirante critico.

6. A5'!!.-medir el caudal en una determinada seccin de agua.

7. F*+' ,84$-%i#i%'.- 0e da cuando el tirante de agua, est por debao del tirante critico.


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)FUNDA9ENTO TEORICO.-

El resalto hidrulico es el ascenso brusco del nivel del agua 'ue se presenta en un canal

abierto a consecuencia del retardo 'ue sufre una corriente de agua 'ue fluye a elevadavelocidad.

Este fenmeno presenta un estado de fuerzas en e'uilibrio, en el 'ue tiene lugar un cambioviolento del rgimen de fluo, de supercrtico a subcrtico. )onsideremos el siguientees'uema#

/ esalto hidrulico

En la seccin !, act1an las fuerzas hidrosttica 2!hy dinmica 2!d3 en forma similar pero ensentido contrario en la seccin 4, 24hy 24d. En ambas secciones la sumatoria de fuerzas dacomo resultado 2! y 24 respectivamente. En el estado de e'uilibrio, ambas fuerzas tienen lamisma magnitud pero direccin contraria (la fuerza 2!hes menor a 24h, inversamente 2!des

mayor a 24d$. &ebido a la posicin de las fuerzas resultantes, ambas estn espaciadas unadistancia d, lo cual genera un par de fuerzas de la misma magnitud pero de sentidocontrario. En razn a la condicin de l'uido, las partculas 'ue la componen ad'uirirn latendencia de fluir en la direccin de las fuerzas predominantes, presentndose la mezcla delagua con lneas de fluo superficiales movindose en sentido contrario a la direccin defluo y de manera inversa en la zona cercana a la solera. El repentino encuentro entre lasmasas de l'uido y el inevitable cho'ue entre partculas, provocan la generacin de unmedio l'uido de gran turbulencia 'ue da lugar a la absorcin de aire de la atmsfera, dandocomo resultado un medio mezcla agua/aire.

%ara un metro de ancho de un canal, se considera el escurrimiento de una masa de fluido

por unidad de tiempo.

(5.!$

El impulso total se e6presar


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(5.4$

El 'ue deber estar en e'uilibrio con la fuerza resultante#

(5.7$

El impulso se e6presa ahora

(5.8$

)onsiderando la ecuacin de continuidad

(5.5$

y eliminado ' y v4se obtiene#

(5.9$

(5.:$

(5.;$

esultando el tirante conugado (aguas abao del resalto$#

(5.


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(5.!!$

El tirante antes y despus del resalto hidrulico resulta funcin del >1mero de 2roude.

?as caractersticas del resalto hidrulico han sido aprovechadas para reducir las velocidadesde fluo en canales a valores 'ue permitan el escurrimiento sin ocasionar tensiones de cortesuperiores a los lmites permitidos por los materiales 'ue componen el permetro moado.El lugar geomtrico en el 'ue se presenta el resalto se denomina colchn hidrulico.

&iferentes investigadores han profundizado en el tema de la disipacin de la energa atravs de un resalto hidrulico3 algunos han puesto atencin a la relacin entre los tirantes ycondiciones de fluo antes y despus del resalto, los menos han abordado los mecanismosinternos 'ue gobiernan un resalto hidrulico.

0e han investigado diferentes formas de colchones hidrulicos con el obeto de lograr una

meor disipacin de energa en una menor longitud.

Ti4', 0$ $,!#' i0;*i%'

canales horizontales, cuya base de clasificacin es el n1mero de 2roude, a saber#

2r!@ !

2luo crtico, por lo 'ue no se forma ning1n resalto.

2r!@ ! a :

?a superficie de agua presenta la tendencia a la formacin de ondulaciones. esalto hidrulico ondular.

2r!@ !.: a 4.5

El ondulamiento de la superficie en el tramo de mezcla es mayor y aguas abao las perturbacionessuperficiales son menores.

esalto hidrulico dbil.

2r!@ 8.5 !


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esalto con grn disipacin de energa (hasta ;= A$, gran ondulacin de la superficie con tendencia detraslado de la zona de rgimen supercrtico hacia aguas abao.

En la prctica se recomienda mantener el resalto hidra1lico en la condicin de resalto oscilante, por cuanto setrata de un resalto bin formado y accesible en las condiciones de fluo reales, si bien la disipacin 'ue selogra no alcanza los meores niveles. En los casos de resaltos permanente y fuerte, las condiciones hidra1licas

aguas abao son muy e6igentes y dficiles de cumplir en la prctica.

%ara el diseo de colchones hidrulicos se consideran los siguientes aspectos.

P


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E5i%i$"%i!.-

0e define la eficiencia de un resalto hidrulico como la relacin de energa especfica despus y antes delresalto#

(5.!7$

%or lo 'ue se puede advertir, la eficiencia de un resalto hidra1lico depende 1nicamente del n1mero de 2roudeantes del mismo.

L'"i#*0 0$ $,!#' i0;*i%'.-

Cn parmetro importante en el diseo de obras hidrulicas es la longitud del resalto, 'ue definir la necesidadde incorporar obras complementarias para reducir esta longitud yDo aplicar medidas de proteccin de la

superficie para incrementar su resistencia a las tensiones de corte.

?os resultados de pruebas e6perimentales realizadas por el ureau of eclamation, dan los siguientesresultados#


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P$5i 0$ ! ,*4$5i%i$ 0$ $,!#'.-

Este dato tiene utilidad para el diseo de las paredes laterales de la obra, tanto en lo 'ue se refiere a su alturacomo a su estabilidad.

a-hmeteff y atz-e, encontraron 'ue el perfil de la superficie de un resalto hidrulico, se puede representarpor curvas adimensionales en funcin de 2r!, como se muestra en el siguiente grfico#

L'%!i=!%i(" 0$ $,!#' i0;*i%'

?a ubicacin del resalto hidrulico depende de las condiciones de fluo tanto aguas arriba como aguas abao.

%ara la e6plicacin de este aspecto, consideremos el caso del fluo a travs de un conducto inferior, a manerade un desfogue de fondo. "guas abao, el nivel de agua es influenciado por alg1n elemento de control, como

por eemplo una estructura transversal.


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Es'uema de un resalto hidrulico en un sistema formado por una compuerta y una estructura de cada

%or un lado, el tirante alcanza su mnimo valor inmediatamente despus de la compuerta, este se incrementagradualmente en rgimen supercrtico en direccin aguas abao. %or otro lado el tirante aguas abao sedesarrolla a travs de una curva de depresin incrementndose hacia aguas arriba en rgimen subcrtico.

En alguna seccin A, el chorro 'ue se desplaza desde la compuerta, tiene un tirante h!"y re'uiere, para laformacin del resalto, un tirante conugado h4", sin embargo el tirante real en esa seccin es menor alre'uerido. ao estas condiciones el chorro l'uido contin1a su movimiento hacia aguas abao, incrementandoel tirante y por lo tanto reduciendo su energa cintica. En una seccin G el tirante conugado re'uerido h4"alcanzar una magnitud e'uivalente al tirante e6istente, presentandos las condiciones para la formacin deun resalto hidrulico.

Di,$>' 0$ *" %'%(" i0;*i%'

Cn colchn hidrulico se hace necesario cuando no es posible lograr la disipacin de energa deseada demanera natural, es decir cuando el tirante conugado necesario es mayor al tirante e6istente aguas abao.

En esos casos se considera la alternativa de forzar a la disipacin a travs de un cuenco artificial, obligando el

desarrollo del resalto hidrulico en un tramo definido 'ue sea lo ms corto posible, para este propsito sernnecesarias obras complementarias 'ue permitan proteger el permetro moado de la zona de mayoresvelocidades.

A) C'%(" i0;*i%' %'" *" %*$"%' !?'#i*!0'

Fiene su aplicacin en vertederos de e6cedencias, rpidas y estructuras de cada libre. "l pie de la cada sepresenta el tirante mnimo hminy por lo tanto la energa especfica m6ima.

2igura 5.5 / esalto hidrulico para h min h!

0i hmin@ h!, para la formacin del hidrulico ser necesario contar con un tirante conugado h4, 'ue deberdesarrollarse por efecto de las condiciones de escurrimiento e6istentes aguas abao3 es decir 'ue h4 h ab.

0i hab h4, el resalto hidrulico no se formar en la seccin !, sino 'ue por efecto de su energa cin/tica, lazona de rgimen supercrtico se desplazar hacia aguas abao, hasta encontrar un tirante 'ue sea pr6imo altirante conugado. 0in embargo es posible 'ue la zona de rgimen supercrtico tenga una longitud mayor a lam6ima establecida por los criterios adoptados para el proyecto.

%ara incrementar el tirante de aguas abao e6isten varias posibilidades, a saber# profundizar la solera oconstruir un travesao de fondo, incrementar la rugosidad de la solera, reducir el ancho de la seccin, reducirla pendiente de la solera, etc.

?as tres 1ltimas posibilidades son normalmente difciles de lograr por lo 'ue se considerarn 1nicamente laprimera y la segunda de las posibilidades.


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?a profundizacin de la solera en la zona del colchn hidrulico, determina el incremento de la altura de cadaen la estructura y en consecuencia un menor tirante hmin(h!$ y un mayor tirante conugado h4."fortunadamente en el colchn hidrulico no solo se presenta una compensacin geomtrica del dficit dealtura en el tirante aguas abao, sino 'ue la confinacin del resalto hidrulico genera mayor intensidad decho'ues entre las partculas de agua, contra las paredes laterales del cuenco y principalmente contra la paredfrontal 'ue genera la profundizacin del lecho.

2igura 5.9 / )olchn hidrulico profundizando el nivel de la solera

Hnvestigaciones realizadas en modelos hidrulicos ofrecen (>orma "lemana &H> !


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2igura 5.: / )olchn hidrulico por aplicacin de un travesao de fondo

(5.!5$

)omo en el caso anterior, se puede adoptar ?e@ !=Ie

?a altura de travesao $tiene como altura m6ima, la altura de cada mnima necesaria para la formacin delresalto hidrulico ()"%. 9$, ya 'ue un valor mayor de $dara lugar a un nuevo resalto hidrulico.

2igura 5.; / 2ormacin de resalto adicional por e B J lim

En estructuras de elevada pendiente se desarrollan estados de fluo con gran velocidad 'ue re'uierencondiciones hidrulicas muy e6igentes 'ue son difciles de alcanzar3 la profundizacin del lecho o laconstruccin de un travesao de fondo puede resultar insuficiente. ?a necesidad de lograr estructurasdisipadoras de mayor eficiencia a motivado la investigacin de diversos tipos de colchones hidrulicos. Entreestos se puede mencionar los siguientes#

B) C'%(" i0;*i%' SAF @13)

Ka sido desarrollado en el ?aboratorio de Kidrulica 0t. "nthony 2alls de la Cniversidad de innesotaEE.CC., para su uso en pe'ueas estructuras de drenae. ?a utilizacin de este tipo de estructuras en sistemasde gran altura podra dar lugar a la generacin de fenmenos como la cavitacin.


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2igura 5.< / )olchn hidrulico 0"2

?a longitud del colchn hidrulico puede ser e6presada en funcin del >1mero de 2roude#

(5.!9$

y est limitada a 2r!desde !.: hasta !:.

El tirante h4est dado por#

(5.!:$

(5.!;$

(5.!


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?a distancia m6ima entre un e6tremo de un blo'ue y la pared ser 7D; h !.

?os blo'ues de piso sern construidos siguiendo las lneas de los ees de los espacios entre los blo'ues decada, y ocuparn entre 8=A y 5=A del ancho del colchn hidrulico.

Di,i4!%i(" 4' i?4!%#'

)on la idea de incrementar la eficiencia de disipacin de energa se han probado sistemas 'ue funcionanpredominantemente bao la accin del impacto sobre estructuras de cho'ue especiales. Entre las mselaboradas podemos mencionar el trabao desarrollado por othmund/Kartung (!8$.

Estructura de impacto de othmund/Kartung

Kasta ahora se ha considerado la disipacin de energa en colchones hidrulicos, donde se presentan cambiosde rgimen a travs de un resalto hidrulico. %ara aumentar la eficiencia de estas obras se han incorporadoelementos de cho'ue 'ue generen mayor prdida de energa y al mismo tiempo logren 'ue la zona de granturbulencia se mantenga confinada en un tramo corto.

othmund/Kartung plantean la aplicacin de un elemento 'ue permita frenar bruscamente el escurrimiento

del chorro l'uido y obligue al fluo a orientar las lneas de fluo a seguir una trayectoria similar a la 'ue sepresenta en un resalto hidrulico3 de esta manera se incrementarn las prdidas de energa cintica y sereducir a1n ms la zona de rgimen supercrtico y gran turbulencia.

En estas condiciones se genera un cambio brusco de direccin de las lneas de fluo, conducindolas endireccin contrara a la direccin de llegada, lo cual produce el cho'ue entre las partculas l'uidas. &e estemodo se presenta la reduccin de las velocidades de fluo y en consecuencia tiene lugar el incremento deltirante. Este proceso se presenta en un medio de gran turbulencia y absorcin de are de la atmsfera,

produciendo un fluo mezcla agua/aire.


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2igura 5.!! / 2uncionamiento hidrulico de la estructura de impacto de othmund / Kartung

?os resultados del trabao de investigacin brindan los siguientes resultados#

(5.4=$

(5.4!$

(5.44$

(5.47$

&onde#

?s ?ongitud parcial del colchn hidrulico entre el travesao y el paramento del vertederoen m.

f Espesor del travesao en m.

adio de la curva entre el vertedero y el colchn hidrulico en m.

z Firante de agua sobre el colchn hidrulico en m.

J "ltura de cada en m.

a %rofundidad del colchn hidrulico en m.


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?a transicin, en movimiento permanente, de rgimen rpido a lento se realiza con una gran disipacin local de energapresentndose un frente abrupto muy turbulento conocido con el nombre de resalto hidrulico.

)omo se observa en la figura 8.8.5 este fenmeno provoca un aumento apreciable del calado, consideracin 'ue debe sertenida en cuenta en el dimensionamiento de la red, en los puntos en 'ue, por sus caractersticas geomtricas, se den lascondiciones de posible aparicin de un resalto hidrulico.

0e considera la seccin (!$ en rgimen rpido usto antes del resalto y la (4$, ya en movimiento uniforme despus delresalto, en rgimen lento. En las secciones (!$ y (4$ puede suponerse una distribucin hidrosttica de presiones.

?a relacin de calados resultante aguas arriba y abao del resalto se obtiene de aplicar las ecuaciones de la cantidad demovimiento y de continuidad#

(!$

siendo 2 N!@ +!ND ( gO y $

?a longitud del resalto (?$ no puede determinarse tericamente, e6istiendo varias correlaciones e6perimentales."pro6imadamente, puede tomarse#

? @ 9O ( y4/ y!$ (4$

E6perimentalmente se ha comprobado 'ue el resalto se presenta para 2B7!D7 3 para 27 !D7el resalto es ondulado y susituacin ms estable se produce para

8,5 2

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