trabajo saul amaya

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INTRODUCCIÓN. En un principio, la teoría del resalto desarrollada corresponde a canales horizontales o ligeramente inclinados en los que el peso del agua dentro del resalto tiene muy poco efecto sobre su comportamiento y, por consiguiente, no se considera en el análisis. Sin embargo los resultados obtenidos de este modo pueden aplicarse a la mayor parte de los canales encontrados en problemas de ingeniería. Para canales con pendiente alta el efecto del peso del agua dentro del resalto puede ser tan significativo que debe incluirse en el análisis. Los saltos hidráulicos ocurren cuando hay un conflicto entre los controles que se encuentran aguas arriba y aguas abajo, los cuales influyen en la misma extensión del canal. Este puede producirse en cualquier canal, pero en la práctica los resaltos se obligan a formarse en canales de fondo horizontal, ya que el estudio de un resalto en un canal con pendiente es un problema complejo y difícil de analizar teóricamente. El salto hidráulico puede tener lugar ya sea, sobre la superficie libre de un flujo homogéneo o en una interface de densidad de un flujo estratificado y en cualquiera de estos casos el salto hidráulico va acompañado por una turbulencia importante y una disipación de energía. 3

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INTRODUCCIN.

En un principio, la teora del resalto desarrollada corresponde a canales horizontales o ligeramente inclinados en los que el peso del agua dentro del resalto tiene muy poco efecto sobre su comportamiento y, por consiguiente, no se considera en el anlisis. Sin embargo los resultados obtenidos de este modo pueden aplicarse a la mayor parte de los canales encontrados en problemas de ingeniera. Para canales con pendiente alta el efecto del peso del agua dentro del resalto puede ser tan significativo que debe incluirse en el anlisis. Los saltos hidrulicos ocurren cuando hay un conflicto entre los controles que se encuentran aguas arriba y aguas abajo, los cuales influyen en la misma extensin del canal. Este puede producirse en cualquier canal, pero en la prctica los resaltos se obligan a formarse en canales de fondo horizontal, ya que el estudio de un resalto en un canal con pendiente es un problema complejo y difcil de analizar tericamente. El salto hidrulico puede tener lugar ya sea, sobre la superficie libre de un flujo homogneo o en una interface de densidad de un flujo estratificado y en cualquiera de estos casos el salto hidrulico va acompaado por una turbulencia importante y una disipacin de energa.

CANALES.En ingeniera se denomina canal a una construccin destinada al transporte de fluidos generalmente utilizada para agua y que, a diferencia de las tuberas, es abierta a la atmsfera. Tambin se utilizan como vas artificiales de navegacin. La descripcin del comportamiento hidrulico de los canales es una parte fundamental de la hidrulica y su diseo pertenece al campo de la ingeniera hidrulica, una de las especialidades de la ingeniera civil. Los canales tienen dos tipos de caractersticas que son:Las caractersticas Geomtricas: son la forma que tiene la seccin transversal del mismo, as como tambin sus dimensiones y la pendiente longitudinal que tenga el fondo del canal.Las caractersticas hidrulicas: se tratan de la profundidad que tiene el agua, su permetro y rea mojada y su radio hidrulico. Resultan relevantes a la rugosidad de las paredes del canal, la cual se obtiene en funcin del material utilizado para su construccin, as como el mantenimiento que se le ha dado al mismo, depende tambin de la lnea de agua, la cual puede ser o no paralela a la pendiente que tenga el fondo del canal. TIPOS DE FLUJOS DE UN CANAL. Flujo permanente: es el flujo en que las propiedades fluidas, son constantes en el tiempo, a pesar de que las mismas no lo sean en el espacio. Flujo transitorio o No permanente: es el que presenta cambios en sus caractersticas al paso del tiempo, para estudiar el comportamiento del canal. Flujo uniforme: este es el que se da en un canal recto, cuya seccin es de pendiente constante, y se encuentra a una distancia considerable de los puntos en que se realizan las mudanzas de seccin transversal, puede ser de forma, de rugosidad, cambio de la pendiente o en una variacin del caudal. Flujo gradualmente variado: cuando la profundidad de flujo cambia a travs de la longitud del canal. Este puede ser permanente o no permanente. Se clasifica en rpidamente variado o gradualmente variado, dependiendo de la profundidad del agua. Flujo subcrtico o flujo lento, es el nivel efectivo del agua en una determinada seccin.

TIPOS DE FLUJOS DE FLUIDOS.Flujo Laminar.Se caracteriza porque el movimiento de las partculas del fluido se produce siguiendo trayectorias bastante regulares, separadas y perfectamente definidas dando la impresin de que se tratara de lminas o capas ms o menos paralelas entre s, las cuales se deslizan suavemente unas sobre otras, sin que exista mezcla macroscpica o intercambio transversal entre ellas.

La ley de Newton de la viscosidad es la que rige el flujo laminar:

Esta ley establece la relacin existente entre el esfuerzo cortante y la rapidez de deformacin angular. La accin de la viscosidad puede amortiguar cualquier tendencia turbulenta que pueda ocurrir en el flujo laminar.

En situaciones que involucren combinaciones de baja viscosidad, alta velocidad o grandes caudales, el flujo laminar no es estable, lo que hace que se transforme en flujo turbulento.

Flujo Turbulento.

Este tipo de flujo es el que ms se presenta en la prctica de ingeniera. En este tipo de flujo las partculas del fluido se mueven en trayectorias errticas, es decir, en trayectorias muy irregulares sin seguir un orden establecido, ocasionando la transferencia de cantidad de movimiento de una porcin de fluido a otra, de modo similar a la transferencia de cantidad de movimiento molecular pero a una escala mayor.En este tipo de flujo, las partculas del fluido pueden tener tamaos que van desde muy pequeas, del orden de unos cuantos millares de molculas, hasta las muy grandes, del orden de millares de pies cbicos en un gran remolino dentro de un ro o en una rfaga de viento.Cuando se compara un flujo turbulento con uno que no lo es, en igualdad de condiciones, se puede encontrar que en la turbulencia se desarrollan mayores esfuerzos cortantes en los fluidos, al igual que las prdidas de energa mecnica, que a su vez varan con la primera potencia de la velocidad.La ecuacin para el flujo turbulento se puede escribir de una forma anloga a la ley de Newton de la viscosidad:

Dnde:h : viscosidad aparente, es factor que depende del movimiento del fluido y de su densidad.

En situaciones reales, tanto la viscosidad como la turbulencia contribuyen al esfuerzo cortante:

Factores que hacen que un flujo se torne turbulento:

La alta rugosidad superficial de la superficie de contacto con el flujo, sobre todo cerca del borde de ataque y a altas velocidades, irrumpe en la zona laminar de flujo y lo vuelve turbulento. Alta turbulencia en el flujo de entrada. En particular para pruebas en tneles de viento, hace que los resultados nunca sean iguales entre dos tneles diferentes. Gradientes de presin adversos como los que se generan en cuerpos gruesos, penetran por atrs el flujo y a medida que se desplazan hacia delante lo "arrancan". Calentamiento de la superficie por el fluido, asociado y derivado del concepto de entropa, si la superficie de contacto est muy caliente, transmitir esa energa al fluido y si esta transferencia es lo suficientemente grande se pasar a flujo turbulento.

Flujo Incompresible.

Es aquel en los cuales los cambios de densidad de un punto a otro son despreciables, mientras se examinan puntos dentro del campo de flujo, es decir:

Lo anterior no exige que la densidad sea constante en todos los puntos. Si la densidad es constante, obviamente el flujo es incompresible, pero sera una condicin ms restrictiva.

Flujo Compresible.Es aquel en los cuales los cambios de densidad de un punto a otro no son despreciables.

Flujo Permanente o Estacionario.Este tipo de flujo se caracteriza porque las condiciones de velocidad de escurrimiento en cualquier punto no cambian con el tiempo, o sea que permanecen constantes con el tiempo o bien, si las variaciones en ellas son tan pequeas con respecto a los valores medios. As mismo en cualquier punto de un flujo permanente, no existen cambios en la densidad, presin o temperatura con el tiempo, es decir: Dado al movimiento errtico de las partculas de un fluido, siempre existen pequeas fluctuaciones en las propiedades de un fluido en un punto, cuando se tiene flujo turbulento. Para tener en cuenta estas fluctuaciones se debe generalizar la definicin de flujo permanente segn el parmetro de inters, as:

Dnde:

Nt: es el parmetro velocidad, densidad, temperatura, etc.El flujo permanente es ms simple de analizar que l no permanente, por la complejidad que le adiciona el tiempo como variable independiente.

Flujo No Permanente.En este tipo de flujo en general las propiedades de un fluido y las caractersticas mecnicas del mismo sern diferentes de un punto a otro dentro de su campo, adems si las caractersticas en un punto determinado varan de un instante a otro se dice que es un flujo no permanente, es decir:

Dnde:N: parmetro a analizar.El flujo puede ser permanente o no, de acuerdo con el observador.

Flujo Uniforme.Este tipo de flujos son poco comunes y ocurren cuando el vector velocidad en todos los puntos del escurrimiento es idntico tanto en magnitud como en direccin para un instante dado o expresado matemticamente:

Donde el tiempo se mantiene constante y s es un desplazamiento en cualquier direccin.

Flujo No UniformeEs el caso contrario al flujo uniforme, este tipo de flujo se encuentra cerca de fronteras slidas por efecto de la viscosidad

Flujo Unidimensional.Es un flujo en el que el vector de velocidad slo depende de una variable espacial, es decir que se desprecian los cambios de velocidad transversales a la direccin principal del escurrimiento. Dichos flujos se dan en tuberas largas y rectas o entre placas paralelas.

Flujo Bidimensional.Es un flujo en el que el vector velocidad slo depende de dos variables espaciales. En este tipo de flujo se supone que todas las partculas fluyen sobre planos paralelos a lo largo de trayectorias que resultan idnticas si se comparan los planos entre s, no existiendo, por tanto, cambio alguno en direccin perpendicular a los planos.

Flujo Tridimensional.El vector velocidad depende de tres coordenadas espaciales, es el caso ms general en que las componentes de la velocidad en tres direcciones mutuamente perpendiculares son funcin de las coordenadas espaciales x, y, z, y del tiempo t.Este es uno de los flujos ms complicados de manejar desde el punto de vista matemtico y slo se pueden expresar fcilmente aquellos escurrimientos con fronteras de geometra sencilla.

Flujo Rotacional.Es aquel en el cual el campo rot v adquiere en algunos de sus puntos valores distintos de cero, para cualquier instante.

Flujo Irrotacional.Al contrario que el flujo rotacional, este tipo de flujo se caracteriza porque dentro de un campo de flujo el vector rot v es igual a cero para cualquier punto e instante.En el flujo irrotacional se excepta la presencia de singularidades vorticosas, las cuales son causadas por los efectos de viscosidad del fluido en movimiento.Flujo Ideal.Es aquel flujo incompresible y carente de friccin. La hiptesis de un flujo ideal es de gran utilidad al analizar problemas que tengan grandes gastos de fluido, como en el movimiento de un aeroplano o de un submarino. Un fluido que no presente friccin resulta no viscoso y los procesos en que se tenga en cuenta su escurrimiento son reversibles.

RESALTO HIDRULICO.

Hasta 1818, el resalto hidrulico estuvo considerado como un fenmeno complejo y misterioso, pero en este mismo ao, Bidone, realiz las primeras investigaciones sobre el resalto hidrulico, 10 aos ms tarde Belanger, analiz el fenmeno segn el principio de conservacin de energa y despus corrigi su anlisis usando la ecuacin impulso-momentum. Posteriormente numerosos laboratorios e investigadores han realizado estudios sobre su longitud, disipacin de energa, eficiencia, saltos hidrulicos dentro de un canal con expansin gradual, inyeccin de un chorro por la parte inferior del canal, resaltos en canales con pendiente y otros fenmenos que generan caractersticas especficas. En 1934, Yarnell inici un amplio estudio del salto hidrulico en canales con pendiente, que no pudo terminar porque falleci en 1937. Kindsvater (1944), fue el primer investigador que desarroll una solucin racional del problema, utilizando los datos no publicados de Yarnell, Bradley y Peterka. En la actualidad, la solucin analtica del problema comprende la aplicacin de las leyes de la esttica de los fludos, el impulso-momentum y la energa especfica; los resultados obtenidos de estos anlisis tericos presentan una buena concordancia con los resultados obtenidos mediante observaciones experimentales.Bajo ciertas condiciones, una corriente lquida de gran velocidad en flujo supercrtico, en un canal abierto pasa a flujo subcrtico con una brusca elevacin de la superficie lquida. En efecto, la corriente de gran velocidad se expansiona y convierte su energa cintica en trmica y potencial.Las prdidas de energa son mayores a medida que la altura del salto es mayor. La distancia que hay desde la cara frontal del salto hasta un punto inmediato sobre la superficie del flujo aguas abajo de la ola asociada con el salto, se denomina longitud del salto hidrulico. En la zona donde se forma el resalto su produce una macro turbulencia y un arrastre de aire hacia el interior de la masa lquida, estas propiedades son aprovechadas para mezclar productos qumicos usados en la purificacin del agua y para airearla cuando va a usarse en abastecimiento urbano.La distribucin de velocidades aguas abajo del resalto no es uniforme, existiendo una mayor velocidad cerca del fondo del canal; en consecuencia, los coeficientes de correccin de velocidad y momentum estn lejos de la unidad, obtenindose resultados ligeramente diferentes a los obtenidos mediante anlisis tericos. En cada punto de la superficie libre del remolino que cubre el salto, el nivel oscila rpidamente; pero el trmino medio de ese nivel puede ser considerado constante; ese nivel medio es el que determina la altura de presin sobre el fondo del canal, especialmente si la pendiente es pequea.Los resaltos hidrulicos han sido clasificados por el personal de Bureau of Reclamation, de los estados unidos, desde el punto de vista de la energa disipada en funcin del nmero de Froude (F); dicha clasificacin es la siguiente: Para F de 1 a 1.7; solo hay una pequea diferencia entre las profundidades conjugadas (las que existen antes y despus del resalto). Se denominan ondas estacionarias. Para F de 1.7 a 2.5; la superficie del agua es tranquila, la velocidad es uniforme y la prdida de energa es baja. Se denomina pre-resalto. Para F de 2.5 a 4.5; ocurre un chorro oscilante entre el fondo y la superficie libre. Cada oscilacin produce una onda de periodo irregular la cual puede viajar grandes trayectorias antes de decaer, pudiendo producir grandes daos en el canal, especialmente si no es revestido. Se denomina resalto oscilante. Para F de 4.5 a 9; se tiene un intervalo de resaltos adecuados. El resalto est equilibrado y su accin es la deseada, siendo la disipacin de energa de 45% al 70%. Se denomina resalto estable. Para F de 9 en adelante; se generan olas intermitentes, que se desplazan hacia aguas abajo originando una superficie bastante alterada. La disipacin de energa puede llegar al 80%. Se denomina resalto fuerte.

Cuando en un canal con flujo supercrtico se coloca un obstculo que obligue a disminuir la velocidad del agua hasta un valor inferior a la velocidad crtica se genera una onda estacionaria de altura infinita a la que se denomina resalto hidrulico, la velocidad del agua se reduce de un valor V1 > C a V2 < C, la profundidad del flujo aumenta de un valor bajo Y1 denominado inicial a un valor Y2 alto denominado secuente.

RESALTO EN CANALES RECTANGULARES.

Para un flujo supercrtico en un canal rectangular horizontal, la energa del flujo se disipa a travs de la resistencia friccional a lo largo del canal, dando como resultado un descenso en la velocidad y un incremento en la profundidad en la direccin del flujo. Un resalto hidrulico se formara en el canal si el nmero de Froude (F1) del flujo, la profundidad del flujo (Y1)y la profundidad (Y2) aguas abajo satisfacen la ecuacin:

Y2/Y1 = 1/2 [(1 + 8 F12)1/2 - 1]

RESALTO EN CANALES INCLINADOS.

En el anlisis de resaltos hidrulicos en canales pendientes o con pendientes apreciables, es esencial considerar el peso del agua dentro del resalto, por esta razn no pueden emplearse las ecuaciones de momentum, ya que en canales horizontales el efecto de este peso es insignificante. Sin embargo puede emplearse una expresin anloga a la ecuacin utilizando el principio de momentum que contendr una funcin emprica que debe determinarse experimentalmente.

CLASIFICACIN DE LOS RESALTOS HIDRULICOS.

Los resaltos hidrulicos en fondos horizontales se clasifican en varias clases y en general esta clasificacin se da, de acuerdo con el nmero de Froude (F1) del flujo entrante. Para F1=1 el flujo es crtico y por consiguiente no se firma resalto, para 1.0