resalto hidraulico

Click here to load reader

Post on 05-Feb-2016

40 views

Category:

Documents

2 download

Embed Size (px)

DESCRIPTION

RESALTO HIDRAULICO

TRANSCRIPT

RESALTO HIDRAULICO

FACULTAD DE INGENIERIA - ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

LABORATORIO

Resalte Hidrulico: Aplicacin de F.E

CURSO

Ingeniera Hidrulica

PROFESOR

Ing. Manuel Casas Villalobos

ALUMNARocio Escobar OrihuelaCODIGO

201010426FECHA

06 junio del 2013RESALTO HIDRAULICO EN CANALES ABIERTOS

INTRODUCCION

Uno de los aspectos que generalmente merece especial atencin en el diseo de obras hidrulicas es la disipacin de la energa cintica que adquiere un chorro lquido por el incremento de la velocidad de flujo.Esta situacin se presenta en vertederos de excedencias, estructuras de cada, desfogues de fondo, bocatomas, salidas de alcantarillas, etc.La disipacin de la energa cintica puede lograrse aplicando diferentes medidas, como la generacin de resalto hidrulico.El resalto hidraulico es una sobreelevacin de la superficie liquida, el cual se presenta al pasar de una profundidad menor a mayor, a la cual se le llama profundidad crtica o energa mnima, ocurre cuando se pasa de un flujo rpido a uno tranquilo es decir pasa de un tirante menor al crtico mayor. Tipos de resalto hidraulico

Resalto claro. Se presenta con gran turbulencia, el cual hace que cierta porcin del lquido retorne contra la corriente. Resalto barrido. Se presenta como una superficie agitada pero sin remolinos y sin retorno del lquido.

OBJETIVOLa prctica de laboratorio tiene como finalidad:

Estudiar a travs del experimento el comportamiento de un resalto hidrulico. mediante el uso de un canal rectangular de pendiente variable. Observar las diferentes clases de resalto que se forman en la experiencia Comprobar las relaciones propuestas por diferentes investigadores mediante los datos obtenidos.

FUNDAMENTO TEORICO

Conceptos previosEfecto de la gravedad. El efecto de la gravedad sobre el estado de flujo se representa por la relacin entre las fuerzas inerciales y las fuerzas gravitacionales. Esta relacin esta dada por el Nmero de Froude, definido como:

Donde, v es la velocidad de flujo, g es la aceleracin de gravedad y D es la profundidad hidrulica, Donde, A es el rea mojada y T es el ancho de la superficieClasificacin del flujo respecto al rgimen de velocidad Flujo Supercrtico: en este estado el papel jugado por las fuerzas inerciales es ms pronunciado presenta una velocidad de flujo muy alta, una profundidad de flujo baja y se genera en condiciones de pendiente alta.

Flujo Crtico: rgimen de flujo intermedio, se caracteriza por generar alta inestabilidad en el flujo, no es recomendable para el diseo.

Flujo Subcrtico: en este estado el papel jugado por las fuerzas gravitacionales es ms pronunciado por lo tanto se presenta una velocidad de flujo baja, tiene una profundidad de flujo alta y se genera en condiciones de baja pendiente.

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.

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.

El impulso total se expresar

El que deber estar en equilibrio con la fuerza resultante:

El impulso se expresa ahora

Considerando la ecuacin de continuidad

y eliminado q y v2 se obtiene:

Resultando el tirante conjugado (aguas abajo del resalto):

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

Se llega a la expresin adimensional de tirantes conjugados:

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 HIDRAULICO

El Bureau Of. Reclamation investig diferentes tipos de resalto hidrulico en canales 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 hidrulico permanente.

Fr1 > 9

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.

En la prctica se recomienda mantener el resalto hidrulico en la condicin de resalto oscilante, 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 resaltos permanente y fuerte, las condiciones hidrulicas aguas abajo son muy exigentes y difciles 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:

Por lo que se puede advertir, la eficiencia de un resalto hidrulico 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:

Fig. 5.2 - Relacin adimensional para la longitud del resalto hidrulico. Bureau of reclamation

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.

Figura 5.4 - Esquema de un resalto hidrulico en un sistema formado por una compuerta y una estructura de cada