FLUJO EN CANALES ABIERTOS
(Notas de clase)(Notas de clase)
Preparado por: Julio CanCurso Hidrulica de CanalesUniversidad de Antioquia
Medelln, Colombia 2011
MotivacinLos deslizamientos y las inundaciones del ltimo ao en Colombia reflejan la
importancia de manejar adecuadamente nuestros recursos hdricos y el
enorme reto ingenieril que enfrentaremos en los prximos aos para proveer
una infraestructura de calidad. Las incertidumbres hidrolgicas del cambio
climtico y la creciente presin antrpica sobre los recursos naturales son el
contexto dentro del cual se desarrolla la hidrulica en la actualidad.
Falla del canal del Dique. Fuente: Semana (2010)
Conceptos bsicos
Objeto de estudioEste curso se orienta al estudio de los fenmenos de flujo de agua a
superficie libre (principalmente en canales y ros) y de los principios de
diseo hidrulico de las estructuras que ayudan a controlar dichos flujos.
Flujo a superficie libre
El flujo de un fluido por gravedad
sobre un terreno friccionante, en
donde una de las superficies est
expuesta a la interaccin con otro
fluido de menor resistencia (en
nuestro caso aire), a presin
atmosfrica.
Cuestiones fundamentales
Este curso proveer las herramientas conceptuales para:
Entender los fenmenos de flujo a superficie libre (principios
fundamentales).
Dimensionar hidrulicamente las estructuras de control de flujo en
canales y ros.
Respondiendo a preguntas como:Respondiendo a preguntas como:
Cul es el caudal y rgimen de flujo esperado en un tramo de un
canal?
Cules son las dimensiones de las secciones ptimas de flujo?
Cul es la capacidad de los canales para diferentes condiciones
hidrolgicas?
Qu tipo de obras se requieren para controlar el flujo?
Cmo viajan los contaminantes y los sedimentos en una corriente?
Campos de aplicacin en ingenieraDiseo, construccin, mantenimiento y reparacin de:
canales y obras hidrulicas para control del flujo
distritos de riego
embalses y vertederosembalses y vertederos
acueductos y alcantarillados (rural y urbano)
proteccin de taludes
Puentes, pasos y obras sumergidas (socavacin)
obras de proteccin de costas
Programas de restauracin de cauces y control de inundaciones
Esquema general y terminologa bsica
VISTA TRANSVERSALAncho superior
(T)Radio HidrulicoR=A/P
Profundidad HidrulicaD=A/T
VISTA LATERAL
y=dcos
V2/2g
Factor de seccin:A(Dh)1/2
Factor de transporte: K = A Rh2/3
Q=Caudal
y=dcos
Permetro mojado(P)
= dAvQ ..
Clasificacin de los flujosSegn el rgimen (Reynolds):
Laminar (Re600)
Segn la velocidad de propagacin (Froude):
VD
=Re
hgDVFr =
Subcrtico (Fr1)
Con respecto a los cambios de propiedades en el tiempo (d/dt) :Estable - Inestable
Con respecto a los cambios de propiedades en el espacio (d/dx):Uniforme Gradualmente Variado Rpidamente variado
Un flujo puede entonces clasificarse por ejemplo como: turbulento, supercrtico, inestable, rpidamente variado.
hgD
Esquema tpico de flujo en canales
Compuerta
Dique
FC
FRV
FRVFRV
FRV FC FGVFU
RH
RH
Dique vertedero
Escaln vertedero
FRV=flujo rpidamente variadoFGV= flujo gradualmente variadoFU=flujo uniformeFC=flujo crticoRH = Resalto hidrulico
FRV RH
Capa lmite en canales
Capa lmite laminar Capa lmite turbulentaCapa lmite laminar Capa lmite turbulenta
Distribucin de velocidades en seccin transversal de canal
trapezoidal
Perfiles de velocidad
=
oyy
kuu ln1*umax
y Ecuacin del perfil de velocidad en canales:
Donde k es la constante de Von Karman(~0.4), y0 es la distancia hidrodinmicade contorno y u* la velocidad de corte
0* =u
ui
yi
u
+=
28.02.0 uuV
de contorno y u* la velocidad de cortedefinida como:
Siendo 0 el esfuerzo cortante en el fondodel canal. En la prctica se determina lavelocidad media en una seccin como:
Secciones transversales tpicas
Tomado de: http://www.monografias.com/trabajos19/canales/Image9182.gif
Distribuciones de presin
Coeficientes de velocidad y momentumComo las velocidades en la seccin de un canal no se distribuyenuniformemente, si se trabaja con la velocidad media entonces la cabeza develocidad y el momentum del fluido deben calcularse usando factores decorreccin, conocidos como coeficientes de velocidad () y momentum () :
( )( )( )3
23
3
3
=iii
Av
AAv
dAv
dAv Para corregir la cabeza
de velocidad V2/2g( ) ii AvdAv( )( )
( )22
2
2
=
ii
iii
Av
AAv
dAv
dAv Para corregir elmomentum V2A/g
Tareas
1) Programar en EXCEL las propiedades de las secciones tpicas paracalcularlas en funcin del tirante Y, incluyendo el factor de seccin Z yel factor de transporte K.
2) En Excel Dibujar la relacin de Y con respecto al radio hidrulico Rh yanalizar el comportamiento para secciones abiertas y cerradas (seccincircular)
3) Revisar la pgina del curso y los materiales que se suministran.3) Revisar la pgina del curso y los materiales que se suministran.4) Resolver los primeros ejercicios del taller.5) Definir los grupos de trabajo para los laboratorios y el trabajo final.