el resalto hidráulico ahogado

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RESALTO HIDRULICO AHOGADO

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 un fuerte turbulencia, acompaada de la formacin de espuma por el aireamiento del flujo, ruido, y accin dinmica sobre las paredes y el fondo del canal.

En la figura 1 se muestran algunos casos de salto hidrulico.

Este fenmeno puede provocarse en las conducciones libres con el fin de utilizar sus caractersticas. A continuacin se presentan algunos ejemplos:

a)Para disipar la energa al pie de rpidas y vertedores. De esa manera se evita o reduce peligro de erosin en el canal aguas abajo.

b)Para elevar el nivel del agua en canales de medicin y en canales de regado, en los cuales se requieren niveles altos.

c)Para mezclar productos qumicos con el agua (floculantes, cloro, etc.) con el fin de tratar el agua en las plantas purificadoras, y esta forma evitar el uso de mezcladores mecnicos.

d)Con el fin de mezclar el fertilizante con el agua de regado.

e)Para airear el agua y mejorar sus condiciones biolgicas.

En esta prctica en especial, se utilizarn adems del mtodo de rea Velocidad, otros mtodos como ser el del vertedero y el medidor electromagntico, para medir el caudal del canal de Rehbock, dicho flujo estar sometido mediante una barrera de contencin que 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.

2)OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL.- Determinacin de los tirantes inicial, crtico y conjugado de un flujo que realiza un resalto hidrulico ahogado.

OBJETIVOS ESPECFICOS.- Estudiar la distribucin de velocidades que se produce en la seccin transversal del canal.

Manejar el molinete hidrulico a la perfeccin.

Determinar los caudales de una seccin utilizando diferentes mtodos.

3)DEFINICIONES:

1. Tirante crtico.- Altura a la cual el flujo sera crtico.

2. Seccin.- Corte transversal aplicado a un cuerpo, en este caso a un canal de Rehbok, se entiende por seccin al rea que tiene la superficie de dicho corte trasversal.

3. Flujo subcrtico.-Se da cuando el tirante de agua, est por encima del tirante crtico.

4. Flujo crtico.- Se da cuando el tirante de agua est por debajo del tirante crtico.5. Gasto o Caudal.- Volumen que pasa por una determinada seccin en un determinado tiempo.

6. Tirante de agua.- Altura que alcanza el agua desde el fondo del canal.

7. Energa especifica.- es la relacin entre la energa mnima y el tirante critico.

8. Aforara.-medir el caudal en una determinada seccin de agua.

9. Flujo sper-critico.- Se da cuando el tirante de agua, est por debajo del tirante critico.4)FUNDAMENTO TEORICO.-

El resalto hidrulico es el ascenso brusco del nivel del agua que se presenta en un canal abierto a consecuencia del retardo que sufre una corriente de agua que fluye a elevada velocidad.

Este fenmeno presenta un estado de fuerzas en equilibrio, en el que tiene lugar un cambio violento del rgimen de flujo, de supercrtico a subcrtico. Consideremos el siguiente esquema:

- Resalto hidrulico

En la seccin 1, actan las fuerzas hidrosttica F1h y dinmica F1d; en forma similar pero en sentido contrario en la seccin 2, F2h y F2d. En ambas secciones la sumatoria de fuerzas da como resultado F1 y F2 respectivamente. En el estado de equilibrio, ambas fuerzas tienen la misma magnitud pero direccin contraria (la fuerza F1h es menor a F2h, inversamente F1d es mayor a F2d). Debido a la posicin de las fuerzas resultantes, ambas estn espaciadas una distancia d, lo cual genera un par de fuerzas de la misma magnitud pero de sentido contrario. En razn a la condicin de lquido, las partculas que la componen adquirirn la tendencia de fluir en la direccin de las fuerzas predominantes, presentndose la mezcla del agua con lneas de flujo superficiales movindose en sentido contrario a la direccin de flujo y de manera inversa en la zona cercana a la solera. El repentino encuentro entre las masas de lquido y el inevitable choque entre partculas, provocan la generacin de un medio lquido de gran turbulencia que da lugar a la absorcin de aire de la atmsfera, dando como resultado un medio mezcla agua-aire.Para un metro de ancho de un canal, se considera el escurrimiento de una masa de fluido por unidad de tiempo.

(5.1)

El impulso total se expresar

(5.2)

El que deber estar en equilibrio con la fuerza resultante:

(5.3)

El impulso se expresa ahora

(5.4)

Considerando la ecuacin de continuidad

(5.5)

y eliminado q y v2 se obtiene:

(5.6)

(5.7)

(5.8)

Resultando el tirante conjugado (aguas abajo del resalto):

(5.9)

(5.10)

Con ayuda de la expresin del nmero de Froude (nmero adimencional que expresa la relacin entre las fuerzas de inercia y de gravedad):

Se llega a la expresin adimensional de tirantes conjugados:

(5.11)

El tirante antes y despus del resalto hidrulico resulta funcin del Nmero de Froude.

Las caractersticas del resalto hidrulico han sido aprovechadas para reducir las velocidades de flujo en canales a valores que permitan el escurrimiento sin ocasionar tensiones de corte superiores a los lmites permitidos por los materiales que componen el permetro mojado. El lugar geomtrico en el que se presenta el resalto se denomina colchn hidrulico.

Diferentes investigadores han profundizado en el tema de la disipacin de la energa a travs de un resalto hidrulico; algunos han puesto atencin a la relacin entre los tirantes y condiciones de flujo antes y despus del resalto, los menos han abordado los mecanismos internos que gobiernan un resalto hidrulico.

Se han investigado diferentes formas de colchones hidrulicos con el objeto de lograr una mejor disipacin de energa en una menor longitud.

Tipos de resalto hidrulicocanales horizontales, cuya base de clasificacin es el nmero de Froude, a saber:

Fr1 = 1

Flujo crtico, por lo que no se forma ningn resalto.

Fr1 = 1 a 7

La superficie de agua presenta la tendencia a la formacin de ondulaciones. Resalto hidrulico ondular.

Fr1 = 1.7 a 2.5

El ondulamiento de la superficie en el tramo de mezcla es mayor y aguas abajo las perturbaciones superficiales son menores.

Resalto hidrulico dbil.

Fr1 = 4.5 1 9.0

Se trata de un resalto plenamente formado, con mayor estabilidad y el rendimiento es mejor, pudiendo variar entre 45 % a 70 % (13).

Resalto hidralico permanente.

Fr1 > 9

Resalto con grn disipacin de energa (hasta 80 %), gran ondulacin de la superficie con tendencia de traslado de la zona de rgimen supercrtico hacia aguas abajo.

En la prctica se recomienda mantener el resalto hidralico en la condicin de resalto oscilante, por cuanto se trata de un resalto bin formado y accesible en las condiciones de flujo reales, si bien la disipacin que se logra no alcanza los mejores niveles. En los casos de resaltos permanente y fuerte, las condiciones hidralicas aguas abajo son muy exigentes y dficiles de cumplir en la prctica.

Para el diseo de colchones hidrulicos se consideran los siguientes aspectos.

Prdida de energa.-

Se define como la diferencia de energas especficas antes y despus del resalto.

Eficiencia.-

Se define la eficiencia de un resalto hidrulico como la relacin de energa especfica despus y antes del resalto:

(5.13)

Por lo que se puede advertir, la eficiencia de un resalto hidralico depende nicamente del nmero de Froude antes del mismo.

Longitud del resalto hidrulico.-

Un parmetro importante en el diseo de obras hidrulicas es la longitud del resalto, que definir la necesidad de incorporar obras complementarias para reducir esta longitud y/o aplicar medidas de proteccin de la superficie para incrementar su resistencia a las tensiones de corte.

Los resultados de pruebas experimentales realizadas por el Bureau of Reclamation, dan los siguientes resultados:

Perfil de la superficie del resalto.-

Este dato tiene utilidad para el diseo de las paredes laterales de la obra, tanto en lo que se refiere a su altura como a su estabilidad.

Bakhmeteff y Matzke, encontraron que el perfil de la superficie de un resalto hidrulico, se puede representar por curvas adimensionales en funcin de Fr1, como se muestra en el siguiente grfico:

Localizacin del resalto hidrulico

La ubicacin del resalto hidrulico depende de las condiciones de flujo tanto aguas arriba como aguas abajo.

Para la explicacin de este aspecto, consideremos el caso del flujo a travs de un conducto inferior, a manera de un desfogue de fondo. Aguas abajo, el nivel de agua es influenciado por algn elemento de control, como por ejemplo una estructura transversal.

Esquema de un resalto hidrulico en un sistema formado por una compuerta y una estructura de cada

Por un lado, el tirante alcanza su mnimo valor inmediatamente despus de la compuerta, este se incrementa gradualmente en rgimen supercrtico en direccin aguas abajo. Por otro lado el tirante aguas abajo se desarrolla a travs de una curva de depresin incrementndose hacia aguas arriba en rgimen subcrtico.

En alguna seccin A, el chorro que se desplaza desde la compuerta, tiene un tirante h1A y requiere, para la formacin del resalto, un tirante conjugado h2A, sin embargo el tirante real en esa seccin es menor al requerido. Bajo estas condiciones el chorro lquido contina su movimiento hacia aguas abajo, incrementando el tirante y por lo tanto red