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.

Curva para determinar el tirante subcritico conocido el régimen supercrítico

Curva para determinar el tirante supercrítico conocido el régimen subcritico

CANAL TRAPEZOIDAL:

Régimen Supercrítico conocido

Régimen Supercrítico:

Curvas para el cálculo del tirante subcritico conocido el régimen supercrítico:

Curvas para el cálculo del tirante supercrítico conocido el régimen subcritico:

SECCIÓN CIRCULAR:

Régimen Subcrítico conocido:

Régimen Supercrítico conocido:

Representación Adimensional:

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.

Según sieñchin:

Según Hsing:

Según Pavlovski:

Según Schaumian:

Según Chertousov:

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 ° °°

GRACIAS TOTALES…