estudio del del resalto hidraulico

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  • ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DEL RESALTO HIDRAULICO

    INTRODUCCION

    En el control de flujos hidrulicos es frecuente el diseo de estructuras disipadoras de energa.

    Los cuencos disipadores de energa tienen aplicaciones prcticas e importantes en el diseo de

    obras hidrulicas entre otras, un cuenco disipa la energa del agua que fluye sobre presas,

    vertederos y otras estructuras hidrulicas para que de esta manera se prevenga la socavacin

    aguas debajo de las estructuras; los cuencos disipadores ayudan a recuperar altura o aumentar

    el nivel del agua en el lado de aguas debajo de una canaleta de medicin y mantener un nivel

    alto del agua en el canal de irrigacin o de cualquier estructura para distribucin de aguas, as

    mismo permiten incrementar el peso sobre la zona de aguas debajo de una estructura de

    mampostera y reducir la presin hacia arriba bajo dicha estructura aumentando la

    profundidad del agua en su zona de aguas abajo, y permiten aumentar el caudal por debajo de

    una compuerta deslizante manteniendo alejada la profundidad de aguas abajo, debido a que la

    altura efectiva se reducir si la profundidad de aguas abajo ahoga el resalto.

    Es importante que el ingeniero tenga los conocimientos bsicos para el diseo de estructuras

    hidrulicas con cambios repentinos de flujo, mediante la determinacin del nmero de Froude

    y los efectos del cambio en las lneas de flujo en un punto especfico de un canal.

    Se comenta el principio del resalto hidrulico con las caractersticas a tener en cuenta para el

    diseo de cuencos disipadores y los tipos de resalto, se trata el resalto hidrulico como

    disipador de energa de forma detalla donde se describen las estructuras controladoras y tipos

    de cuencos disipadores ms comunes: el cuenco disipador SAF, el USBR tipo II, IV y V los cuales

    son los ms usados debido a su seguridad y eficiencia.

    OBJETIVOS

    Estudiar, a travs de la experiencia, el comportamiento del resalto hidrulico en un

    canal rectangular de pendiente baja o casi nula.

    Verificar la veracidad de las ecuaciones que describen el comportamiento del flujo

    aplicando los principios de energa y momentum.

    Observar los diferentes tipos de resalto que se generan en el canal rectangular.

    PRINCIPIOS TEORICOS

    RESALTO HIDRAULICO

    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.

  • Este involucra una prdida de energa relativamente grande mediante disipacin en el cuerpo

    turbulento de agua dentro del resalto. En consecuencia, el contenido de energa en el flujo

    despus del resalto es apreciablemente menor que el de antes del mismo.

    La profundidad antes del resalto es siempre menor que la profundidad despus del resalto. La

    profundidad antes del resalto se conoce como PROFUNDIDAD INICIAL Y1, y despus del resalto

    se conoce como PROFUNDIDAD SECUENTE Y2. Entonces, la energa especfica E1

    correspondiente a la profundidad inicial Y1 es mayor que la energa especfica E2

    correspondiente a la profundidad secuente Y2 en una cantidad igual a la prdida de energa E.

  • Analizando el volumen de control contenido entre las secciones1 y 2 se tiene que la fuerza de

    momentum por unidad de longitud, para un canal rectangular est dada por:

    ( )

    La anterior fuerza deber estar en equilibrio con la fuerza hidrosttica resultante:

    Igualando se tiene:

    ( )

    Considerando la ecuacin de continuidad por unidad de ancho.

    Y simplificando y reemplazando q en funcin de se obtiene:

    (

    )

    ( )

    Resultando el tirante conjugado:

    (

    )

    Con ayuda de la expresin del nmero de Froude se tiene:

    (

    )

  • Las profundidades Y1 y Y2, se llaman profundidades conjugadas o secuentes y tienen la

    particularidad que la funcin momentum es la misma para ambas profundidades mientras que

    existe una variacin de la energa especfica, debida a la perdida de energa producida por el

    resalto, como se observa en las figuras.

    Resalto hidrulico y diagramas E vs Y y M vs Y, en canales de fondo horizontal.

  • FUNCIN MOMENTUM (M)

    Aplicando la ecuacin de balance de cantidad de movimiento proyectada segn la direccin del flujo, se obtiene la siguiente ecuacin:

    Donde:

    1 Y 2: son los coeficientes de Boussinesq en ambas secciones.

    Ftotal: las fuerzas externas actuantes sobre el volumen de control elegido.

    Ptapa1 y Ptapa2 son las resultantes de las presiones sobre las dos secciones.

    W.sen es la componente en la direccin del flujo del peso encerrado en el volumen de

    control.

    Ff : es la fuerza total externa de friccin (tensin de corte) actuando a lo largo de la superficie

    de contacto entre el agua y el canal.

    Si se supone que:

    La pendiente del canal es pequea o nula (canal de pendiente horizontal), entonces sen = 0

    Distribucin uniforme de las velocidades en la seccin: 1 = 2 = 1,

    Las secciones 1 y 2 estn lo suficientemente prximas como para despreciar los efectos de la

    tensin de corte.

  • La ecuacin anterior se reduce a:

    Reordenando:

    Es as que se define la funcin momentum o fuerza especfica como:

    PERDIDA DE ENERGIA

    Se define como la diferencia de energas especficas antes (flujo supercrtico) y despus del

    resalto (flujo subcrtico)

    ( )

    EFICIENCIA

    Se define la eficiencia de un resalto hidrulico como la relacin de energa especifica despus y

    antes del resalto:

    (

    )

    (

    )

    Por lo que se puede advertir, la eficiencia de un resalto hidrulico depende nicamente del

    nmero de Froude de aguas arriba.

    Adicionalmente, se puede determinar la eficiencia de conversin de energa cintica ( ) en

    potencia ( ) de una partcula en la superficie de agua.

    ( )

  • TIPOS DE RESALTO HIDRAULICO

    Tipo Caractersticas del resalto Esquema Flujo crtico, por lo que no se forma ningn resalto.

    Ondular

    La superficie de agua presenta la tendencia a la formacin

    de ondulaciones. La disipacin de energa es baja, menor del 5%.

    Dbil

    El ondulamiento de la superficie en el tramo de mezcla es mayor y aguas abajo las perturbaciones superficiales son menores. Se generan muchos rodillos de agua en la superficie del resalto, seguidos de una superficie suave y estable. La energa disipada est entre el 5%-15%.

    Oscilante

    Presenta un chorro intermitente sin ninguna periodicidad, que parte desde el fondo y se manifiesta hasta la

    superficie, y retrocede nuevamente. Cada oscilacin produce una gran onda que puede viajar largas distancias.

    La disipacin de energa es del 15%-45%.

    Estable e trata de un resalto plenamente formado, con mayor estabilidad y el rendimiento es mejor, pudiendo variar la energa disipada entre 45 % a 70 %.

    Fuerte

    Resalto con gran disipacin de energa (hasta 80 %), gran ondulacin de la superficie con tendencia de traslado de la zona de rgimen supercrtico hacia aguas abajo. Caracterizado por altas velocidades y turbulencia, con

    generacin de ondas y formacin de una superficie tosca aguas abajo.

  • La imagen anterior corresponde la clasificacin del flujo segn el Bureau of Reclamation de los

    Estados Unidos que investigo diferentes tipos de resalto hidrulico en canales horizontales,

    cuya base de clasificacin es el nmero de Froude en la seccin de aguas arriba.

    En la prctica se recomienda mantener el resalto hidrulico en la condicin de resalto estable,

    por cuanto se trata de un resalto bien 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 resalto

    permanente y fuerte, las condiciones hidrulicas aguas abajo son muy exigentes y difciles de

    cumplir en la prctica de ingeniera.

    LONGITUD DEL RESALTO HIDRAULICO

    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 o aplicar medidas de proteccin de la superficie para

    incrementar su resistencia a los esfuerzos cortantes.

    Los resultados de pruebas experimentales, realizadas en 6 canales de

    laboratorio, por el bureau of reclamation, en donde se relacionan L/Y2 vs

    FR1, se representan en la figura; Silvester propone una ecuacin emprica

    para el clculo de la longitud del resalto en canales rectangulares y lechos

    horizontales relacionados a continuacin:

    ( )

    Relacin adimensional para la longitud del resalto hidrulico en canales

    horizontales. Bureau of Reclamation. Chow, V.T (1982)

  • Las investigaciones experimentales logradas por muchos autores para la

    longitud del resalto hidrulico solo para canales rectangulares son:

    Segn USBR-2 (E.U.):

    (

    )

    Segn Smetana (Rep. Checa):

    ( )

    Segn Safranez (Alemania):

    Segn Einwachter (Alemania):

    ( )

    Segn Wycicki (Polonia):

    ( ) ( )

    Segn Chertusov (Rusia):