localización del resalto hidráulico - informe de investigación

Download Localización Del Resalto Hidráulico - Informe de Investigación

Post on 10-Oct-2015

112 views

Category:

Documents

1 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • 5/20/2018 Localizaci n Del Resalto Hidr ulico - Informe de Investigaci n

    http:///reader/full/localizacion-del-resalto-hidraulico-informe-de-investigac

    FACULTAD DE INGENIERA

    E.A.P. DE INGENIERA CIVIL

    ASIGNATURAMECNICA DE FLUIDOS II

    DOCENTEMG. ING. HUGO AMADO ROJAS RUBIO

    ALUMNODOLORES VALVERDE DEEKLA

    NUEVO CHIMBOTE, JULIO DE 2014

  • 5/20/2018 Localizaci n Del Resalto Hidr ulico - Informe de Investigaci n

    http:///reader/full/localizacion-del-resalto-hidraulico-informe-de-investigac

    UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA MECANICA DE FLUIDOS II

    INGENIERA CIVIL MG. ING. HUGO ROJAS RUBIO

    pg. 1

    NDICE

    NDICE ............................................................................................................... 1

    INTRODUCCIN ............................................................................................... 2

    MARCO TERICO ............................................................................................ 3

    Localizacin del salto hidrulico ...................................................................... 6

    Caso A ....................................................................................................... 8

    Caso B ....................................................................................................... 9

    Caso C ..................................................................................................... 10

    Ejemplo ......................................................................................................... 11

    CONCLUSIONES ............................................................................................ 14

    BIBLIOGRAFA ............................................................................................... 14

  • 5/20/2018 Localizaci n Del Resalto Hidr ulico - Informe de Investigaci n

    http:///reader/full/localizacion-del-resalto-hidraulico-informe-de-investigac

    UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA MECANICA DE FLUIDOS II

    INGENIERA CIVIL MG. ING. HUGO ROJAS RUBIO

    pg. 2

    INTRODUCCION

    El presente informe de investigacin sobre la localizacin del salto hidrulico,

    expone el resumen de todo lo que se investig y se pudo extraer de diferentesfuentes bibliogrficas que trataron el tema, y en la que el autor que ms explic

    en sus anlisis fue Ven Te Chow en Hidrulica de canales abiertos.

    En primer lugar se enfocar de manera general en la explicacin del salto

    hidrulico, comportamiento del resalto en diferentes estructuras hidrulicas y

    elementos del salto, en donde se explicara de manera clara y concisa dichos

    temas.

    Posteriormente se describir el anlisis de como localizar exactamente el salto

    hidrulico en diferentes estructuras y situaciones, todo esto en funcin de la

    pendiente, del tirante del flujo aguas arribas como aguas abajo, del tirante

    secuente, con el objetivo de poder ubicar la zona de mayor incidencia erosiva

    del flujo y poder as realizar un adecuado diseo para proteger adecuadamente

    el lecho del canal. Adems tambin poder realizar los perfiles de acuerdo a la

    configuracin del sistema hidrulico.

    Se espera cumplir con lo expuesto a fin de poner comprender mejor este

    fenmeno que durante muchos aos muchos investigadores han dedicado su

    tiempo y esfuerzo con el objetivo de estudiarlo, comprenderlo y contribuir al

    desarrollo de esta ciencia tan amplia que es la hidrulica.

  • 5/20/2018 Localizaci n Del Resalto Hidr ulico - Informe de Investigaci n

    http:///reader/full/localizacion-del-resalto-hidraulico-informe-de-investigac

    UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA MECANICA DE FLUIDOS II

    INGENIERA CIVIL MG. ING. HUGO ROJAS RUBIO

    pg. 3

    LOCALIZACIN DEL RESALTO HIDRAULICO

    I. MARCO TERICO:

    El resalto o salto hidrulico es un fenmeno local, que se presenta

    en el flujo rpidamente variado, el cual va siempre acompaado por un

    aumento sbito del tirante y una prdida de energa bastante considerable

    (disipada principalmente como calor), en un tramo relativamente corto.

    Ocurre en el paso brusco de rgimen supercrtico (rpido) a rgimen

    subcrtico (lento), es decir, en el resalto hidrulico el tirante, en un corto

    tramo, cambia de un valor inferior al crtico a otro superior a este. (VILLAR

    BEJAR, 1995, pg. 179). El siguiente grafico muestra este fenmeno.

    Generalmente, el resalto se forma cuando en una corriente rpida

    existe algn obstculo o un cambio brusco de pendiente. Esto sucede al

    pie de estructuras hidrulicas tales como vertederos de demasas, rpidas,

    salidas de compuertas con descarga por el fondo, etc., lo que se muestra

    en la siguiente figura:

  • 5/20/2018 Localizaci n Del Resalto Hidr ulico - Informe de Investigaci n

    http:///reader/full/localizacion-del-resalto-hidraulico-informe-de-investigac

    UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA MECANICA DE FLUIDOS II

    INGENIERA CIVIL MG. ING. HUGO ROJAS RUBIO

    pg. 4

    En un resalto como el que se muestra en la Figura 5-13 se pueden

    realizar las siguientes observaciones:

  • 5/20/2018 Localizaci n Del Resalto Hidr ulico - Informe de Investigaci n

    http:///reader/full/localizacion-del-resalto-hidraulico-informe-de-investigac

    UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA MECANICA DE FLUIDOS II

    INGENIERA CIVIL MG. ING. HUGO ROJAS RUBIO

    pg. 5

    Antes del resalto, cuando el agua escurre todava en rgimen rpido,

    predomina la energa cintica de la corriente, parte de la cual se transforma

    en calor (prdida de energa til) y parte en energa potencial (incremento

    del tirante); siendo esta la que predomina, despus de efectuado el

    fenmeno.

    En la Figura 5-13, las secciones (1) y (2) marcan esquemticamente el

    principio y el final del resalto. Los tirantes y1 y y2 con que escurre el agua

    antes y despus 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 ltimo valor.

    E1 es la energa especfica antes del resalto y E2 la que posee la corriente

    despus de l. Se observa que en (2) la energa especfica es menor que

    en (1) debido a las fuertes prdidas de energa til que el fenmeno

    ocasiona; esta prdida se representa como: E1E2.

  • 5/20/2018 Localizaci n Del Resalto Hidr ulico - Informe de Investigaci n

    http:///reader/full/localizacion-del-resalto-hidraulico-informe-de-investigac

    UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA MECANICA DE FLUIDOS II

    INGENIERA CIVIL MG. ING. HUGO ROJAS RUBIO

    pg. 6

    Adems de su mrito como disipador natural de energa, el resalto

    hidrulico tiene muchos otros usos prcticos, entre los cuales se pueden

    mencionar los siguientes:

    a) Prevencin o confinamiento de la socavacin aguas debajo de las

    estructuras hidrulicas donde es necesario disipar energa.

    b) Mezclado eficiente de fluidos o de sustancias qumicas usadas en la

    purificacin de aguas, debido a la naturaleza fuertemente turbulenta del

    fenmeno.

    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 recuperacin de carga aguas debajo de un aforador y

    mantenimiento de un nivel alto del agua en el canal de riego o de

    distribucin del agua.

    (VILLAR BEJAR, 1995, pgs. 180 - 183)

    Localizacin del resalto hidrulico:

    Con frecuencia, en las obras de ingeniera es importante saber dnde se

    presentar un salto hidrulico, como al disear un vertedor. Conforme se

    descarga el agua sobre una presa de sobreflujo, la mayor parte de su

    energa potencial original se convierte en energa cintica. A menos que se

    proporcionen medios para disipar parte de esa energa cintica en prdidade friccin, junto con la reconversin de cierta cantidad en energa

    potencial, esas velocidades altas tendrn probabilidades de provocar

    erosin en la parte de descarga de la presa y dar como resultado la falla de

    la estructura. Uno de los mtodos ms eficaces para convertir la energa

    cintica en perdida por friccin, es por medio de los saltos hidrulicos; no

    obstante esta conversin se debe producir en el manto de la presa y, por

    ende, determinar la ubicacin del salto tiene una importancia primordial.

    (W. KING, 1985, pg. 279).

  • 5/20/2018 Localizaci n Del Resalto Hidr ulico - Informe de Investigaci n

    http:///reader/full/localizacion-del-resalto-hidraulico-informe-de-investigac

    UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA MECANICA DE FLUIDOS II

    INGENIERA CIVIL MG. ING. HUGO ROJAS RUBIO

    pg. 7

    La localizacin del salto hidrulico ocurre en un escurrimiento supercrtico

    cuando la profundidad cambia abruptamente a su profundidad secuente.

    Hablando tericamente, el salto ocurrir en un canal rectangular horizontal

    si las profundidades iniciales y secuentes y el nmero Froude

    aproximadamente satisfacen la ecuacin:

    Esta condicin terica es generalmente usada para ubicar, debe

    considerarse la longitud del salto. Lo siguiente (Fig. 15-6) ilustrara la

    ubicacin de un salto hidrulico en tres casos tpicos:

  • 5/20/2018 Localizaci n Del Resalto Hidr ulico - Informe de Investigaci n

    http:///reader/full/localizacion-del-resalto-hidraulico-informe-de-investigac

    UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA MECANICA DE FLUIDOS II

    INGENIERA CIVIL MG. ING. HUGO ROJAS RUBIO

    pg. 8

    Caso Amuestra el salto debajo de una esclusa de regulacin en un

    canal moderado. Los perfiles AB y CD pueden ser identificados

    fcilmente como tipo M3 y M2 respectivamente.

    La curva AB es un dibujo de la profundidad secuente de AB. Se puede

    estimar la longitud del salto por la posicin de F. Mediante tanteos, una

    interseccin horizontal entre las curvas AB y CD se puede encontrar

    que es igual a la longitud de salto. Por ejemplo, la distancia horizontal

    EF es igual a la longitud del salto correspondiente a la profundidad y2

    en F. Se hace aparente que el salto se formara entre G y F, ya que la

    profundidad en F es secuente a la profundidad en G y la distancia EF

    mide la longitud del salto no fuera tomada. Se puede notar que, si la

    longitud del salto no fuera tomada en consideracin en el anlisis, el

    salto podra haberse considerado que se formara en el punto aguas

    arriba F, resultando en un error representado por FF. En el caso A, se

    puede ver que, aumentando la profundidad aguas abajo o levantando

    la curva CD, el salto puede ser movido aguas arriba. La profundidad

    aguas abajo se puede levantar a tal altura que el salto ser

    eventualmente inundado en frente de la esclusa. Disminuyendo la

    profundidad aguas abajo o bajando CD, mover el salto aguas abajo.

    La discusin superior se aplica tambin a la localizacin de un salto

    formado al pie de un dique o vertedero de desborde.

  • 5/20/2018 Localizaci n Del Resalto Hidr ulico - Informe de Investigaci n

    http:///reader/full/localizacion-del-resalto-hidraulico-informe-de-investigac

    UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA MECANICA DE FLUIDOS II

    INGENIERA CIVIL MG. ING. HUGO ROJAS RUBIO

    pg. 9

    Cuando hay un salto hidrulico debajo de una esclusa, el flujo saliente

    de la compuerta formar un chorro que posea una vena contrada. La

    distancia Le de la vena contrada a la abertura de la compuerta es

    usualmente corta. A despecho de esta distancia, hay una regla

    adoptada generalmente la cual establece que la vena contrada est

    localizada aproximadamente a una distancia h desde la abertura de la

    compuerta.

    (CHOW, 2004, pgs. 375 - 376)

    Apreciacin: Lo que menciona el autor Ven te Chow en prrafo

    anterior, es cierto ya que en el caso A, cuando el agua pasa por debajo

    de una compuerta el chorro o vena contrada presentar a una longitud

    determinada la ocurrencia del salto. Segn la grfica para este caso la

    longitud del salto est dada por la distancia horizontal entre los puntos

    G y F, es decir entre los puntos E y F, aprecindose en ese tramo un

    aumento considerable del tirante ya que el flujo est pasando de

    supercrtico a suscritico. Tambin se menciona que si aumentamos la

    altura del tirante y2, el salto se apegara a la compuerta, y

    posiblemente presentara un salto ahogado o inundado. Caso contrario

    ocurrira si se disminuira dicho tirante, es decir el salto se trasladara

    aguas abajo

    El caso B muestra el salto en una canal teniendo un quiebre en la

    pendiente del fondo que cambia de empinada a moderada. Por

    simplicidad, se ha asumido que el flujo es uniforme en el canal excepto

    en el tramo entre el salto y el quiebre, el salto puede ocurrir en ya sea

    el canal empinado o el canal moderado, dependiendo de si la

    profundidad aguas abajo y2 es ms grande o menos grande que la

    profundidad y1 secuente de la profundidad aguas arriba y1. Si la

    profundidad y2 es ms grande que y1, el salto ocurrir en la regin

    empinada. Entonces la curva de la superficie OC es el tpico S1. La

  • 5/20/2018 Localizaci n Del Resalto Hidr ulico - Informe de Investigaci n

    http:///reader/full/localizacion-del-resalto-hidraulico-informe-de-investigac

    UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA MECANICA DE FLUIDOS II

    INGENIERA CIVIL MG. ING. HUGO ROJAS RUBIO

    pg. 10

    linea AP indica la profundidad secuente de la lnea AR. Ahora,

    determinar una interseccin horizontal IJ entre AP y CO que es igual a

    la longitud del salto. Es aparente que un salto HJ empezara en la

    seccin conteniendo I. Si la profundidad y2 es bajada

    aproximadamente a menos que y1, el salto empezar a moverse

    dentro del canal moderado. En este caso, el salto puede estar ubicado

    tal como se describe en el caso A. (CHOW, 2004, pg. 376)

    Apreciacin: Es correcto, lo que el mismo autor, tambin menciona

    para el caso B cuando el flujo pasa de una zona con pendiente

    empinada a otra con pendiente moderada. En este caso el salto puede

    darse en cualquiera de las zonas, y depender de la relacin que exista

    entre los tirantes y1 y y2, ambas aguas abajo. Si y2 es mayor que y1,

    entonces como se menciona en el prrafo anterior, el salto se

    presentara en la zona con pendiente empinada. Caso contrario

    ocurrira si y2 es menor que y1, el salto estara en la zona con

    pendiente moderada, como se puede observar en las figuras

    correspondientes. Para dichas situaciones, el salto en zona empinada

    est delimitado H y J, mientras que para la otra zona, por los puntos G

    y F.

    El caso C muestra el salto detrs de una barrera desbordada.

    Tericamente, se formara un salto si la profundidad en la barrera es

    ms grande que la profundidad y1secuente a la profundidad subcrticaaproximada y1. La ubicacin del salto es la misma como la del caso B

    si el salto ocurre en la regin empinada. Aumentando la altura de la

    barrera se mover el salto aguas arriba. Disminuyendo la altura el

    salto se mover aguas abajo. Cuando la profundidad en la barrera es

    menor que la profundidad secuente y1, la barrera ser cruzada por una

    elevacin fija en la forma de una superficie ondular simple cuya

    levantada no ser seguida por ondulaciones posteriores. (CHOW,

    2004, pg. 376)

  • 5/20/2018 Localizaci n Del Resalto Hidr ulico - Informe de Investigaci n

    http:///reader/full/localizacion-del-resalto-hidraulico-informe-de-investigac

    UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA MECANICA DE FLUIDOS II

    INGENIERA CIVIL MG. ING. HUGO ROJAS RUBIO

    pg. 11

    Apreciacin: Para este caso tambin es correcto lo que dice el autor.

    El caso C nos muestra el salto hidrulico que se presenta cuando hayuna barrera. El comportamiento es igual que con el caso B en la zona

    empinada, ya que y2 es mayor que y1, y si aumentamos o

    disminuimos el tirante y2 solo se observara que el salto se mover, ya

    sea aguas arriba o aguas abajo. En la situcion contraria cuando y2 es

    menor que y1, entonces la barrera ser cruzada por el flujo formando

    una curvatura del flujo bastante estable. El salto para este caso se

    encuentra comprendido entre los puntos H y J, es decir la distancia

    horizontal IJ.

    A continuacin se presenta un ejemplo de cmo ubicar o localizar el salto

    hidraulico:

    Ejemplo: El agua fluye por debajo de una compuerta, en un canal

    trapezoidal que tiene b=20 ft, z=2, So=0.0036, =1.10 y n=0.025. La

    compuerta es regulada para descargar 400 cfs con una profundidad igual a

    0.55 ft en la vena contrada. Localizar el salto hidrulico si el flujo aguas

    abajo del salto es uniforme.

    Solucin: De los datos dados, la curva de energa especfica

    y la curva de fuerza especfica del canal pueden

    ser construidas como se ve en la Fig. 15-7. Al calcular la curva de fuerza

    especfica el valor de se puede estimar como1.04 para =1.10, usando

    las Ecs.: y .

    Debajo de la compuerta, el perfil M3 se ve en AGB en la Fig. 15-8. La curva

    de la profundidad secuente AFB corresponde a la curva de profundidad

    inicial AGB se pude determinar. La curva AFB y el perfil del flujo aguas

    abajo CFD (igual a la lnea de profundidad normal en este ejemplo)

    intersecta en F. La profundidad inicial del flujo en F se encuentra

    entonces, partiendo del perfil M3, que es 1.70 ft. El correspondiente F=1.52

    y de la Fig. 15-4, L/y2=3.6. La longitud de salto es entonces igual a

  • 5/20/2018 Localizaci n Del Resalto Hidr ulico - Informe de Investigaci n

    http:///reader/full/localizacion-del-resalto-hidraulico-informe-de-investigac

    UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA MECANICA DE FLUIDOS II

    INGENIERA CIVIL MG. ING. HUGO ROJAS RUBIO

    pg. 12

    L=3.6x2.67=9.6 ft. En este punto hay considerada una aproximacin ya que

    la longitud del salto debera estar basada sobre F en E (en vez de F), la

    cual, es sin embargo, todava desconocida.

    En este ejemplo, y2 es igual a la profundidad normal del flujo en el canal ya

    que el flujo aguas abajo es uniforme. Si el flujo aguas abajo no es uniforme

    sino gradualmente variado, entonces la profundidad en la interseccin F

    del perfil aguas abajo con la curva AFB debera tomarse como y2. Esto

    tambin es una aproximacin, porque la profundidad actual y2 debera

    estar en F, cuya posicin es desconocida todava.

  • 5/20/2018 Localizaci n Del Resalto Hidr ulico - Informe de Investigaci n

    http:///reader/full/localizacion-del-resalto-hidraulico-informe-de-investigac

    UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA MECANICA DE FLUIDOS II

    INGENIERA CIVIL MG. ING. HUGO ROJAS RUBIO

    pg. 13

    Despus que la longitud del salto este determinada, una interseccin

    horizontal EF igual a 9.6 ft. se encuentra entre la curva AFB y CFD. El

    salto hidrulico ocurrir, entonces entre G y F. Como se ve en la Fig. 15-8,

    el salto parece iniciarse a una distancia aproximada de 140 ft. de la vena

    contrada. Ya la ubicacin del salto est determinada, las aproximaciones

    mencionadas arriba pueden ser controladas, y se pueden hacer

    determinaciones ms exactas mediante la repeticin del proceso, si se

    desea. Tales verificaciones parecen innecesarias, sin embargo, teniendo

    en cuenta las aproximaciones incluidas en la teora y otros aspectos del

    problema. (CHOW, 2004, pgs. 376 - 378)

  • 5/20/2018 Localizaci n Del Resalto Hidr ulico - Informe de Investigaci n

    http:///reader/full/localizacion-del-resalto-hidraulico-informe-de-investigac

    UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA MECANICA DE FLUIDOS II

    INGENIERA CIVIL MG. ING. HUGO ROJAS RUBIO

    pg. 14

    II. CONCLUSIONES:

    Se pudo lograr estudiar y entender sobre la localizacin o ubicacindel salto hidrulico en un canal.

    Se analiz satisfactoriamente el comportamiento del salto hidrulico

    en diferentes estructuras tanto aguas arriba como aguas abajo, en la

    que se describi las diferentes situaciones que suelen presentarse

    en la prctica del flujo en canales abiertos.

    Se pudo comprobar que el anlisis de diversos autores es casi

    parecido con lo que expone Ven Te Chow, que es que realiza elanlisis ms detallado.

  • 5/20/2018 Localizaci n Del Resalto Hidr ulico - Informe de Investigaci n

    http:///reader/full/localizacion-del-resalto-hidraulico-informe-de-investigac

    UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA MECANICA DE FLUIDOS II

    INGENIERA CIVIL MG. ING. HUGO ROJAS RUBIO

    pg. 15

    III. BIBLIOGRAFA:

    Chow, Ven Te (2004). Hidrulica de canales abiertos. Bogot: Nomos

    S.A..

    Villar Bejar, Maximo (1995). Hidralica de canales. San Jos: EditorialTecnolgica de Costa Rica.

    W. King, O. Wisler, G. Woodburn (1985). Hidraulica. Mexico DF.: Trillas.