ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DEL RESALTO HIDRAULICO

INTRODUCCION

En el control de flujos hidráulicos es frecuente el diseño de estructuras disipadoras de energía.

Los cuencos disipadores de energía tienen aplicaciones prácticas e importantes en el diseño de

obras hidráulicas entre otras, un cuenco disipa la energía del agua que fluye sobre presas,

vertederos y otras estructuras hidráulicas para que de esta manera se prevenga la socavación

aguas debajo de las estructuras; los cuencos disipadores ayudan a recuperar altura o aumentar

el nivel del agua en el lado de aguas debajo de una canaleta de medición y mantener un nivel

alto del agua en el canal de irrigación o de cualquier estructura para distribución de aguas, así

mismo permiten incrementar el peso sobre la zona de aguas debajo de una estructura de

mampostería y reducir la presión hacia arriba bajo dicha estructura aumentando la

profundidad del agua en su zona de aguas abajo, y permiten aumentar el caudal por debajo de

una compuerta deslizante manteniendo alejada la profundidad de aguas abajo, debido a que la

altura efectiva se reducirá si la profundidad de aguas abajo ahoga el resalto.

Es importante que el ingeniero tenga los conocimientos básicos para el diseño de estructuras

hidráulicas con cambios repentinos de flujo, mediante la determinación del número de Froude

y los efectos del cambio en las líneas de flujo en un punto específico de un canal.

Se comenta el principio del resalto hidráulico con las características a tener en cuenta para el

diseño de cuencos disipadores y los tipos de resalto, se trata el resalto hidráulico como

disipador de energía de forma detalla donde se describen las estructuras controladoras y tipos

de cuencos disipadores más comunes: el cuenco disipador SAF, el USBR tipo II, IV y V los cuales

son los más usados debido a su seguridad y eficiencia.

OBJETIVOS

Estudiar, a través de la experiencia, el comportamiento del resalto hidráulico en un

canal rectangular de pendiente baja o casi nula.

Verificar la veracidad de las ecuaciones que describen el comportamiento del flujo

aplicando los principios de energía y momentum.

Observar los diferentes tipos de resalto que se generan en el canal rectangular.

PRINCIPIOS TEORICOS

RESALTO HIDRAULICO

El resalto hidráulico 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

fenómeno presenta un estado de fuerzas en equilibrio, en el que tiene lugar un cambio

violento del régimen de flujo, de supercrítico a subcrítico.

Este involucra una pérdida de energía relativamente grande mediante disipación en el cuerpo

turbulento de agua dentro del resalto. En consecuencia, el contenido de energía en el flujo

después del resalto es apreciablemente menor que el de antes del mismo.

La profundidad antes del resalto es siempre menor que la profundidad después del resalto. La

profundidad antes del resalto se conoce como PROFUNDIDAD INICIAL Y1, y después del resalto

se conoce como PROFUNDIDAD SECUENTE Y2. Entonces, la energía específica E1

correspondiente a la profundidad inicial Y1 es mayor que la energía específica E2

correspondiente a la profundidad secuente Y2 en una cantidad igual a la pérdida de energía ΔE.

Analizando el volumen de control contenido entre las secciones1 y 2 se tiene que la fuerza de

momentum por unidad de longitud, para un canal rectangular está dada por:

( )

La anterior fuerza deberá estar en equilibrio con la fuerza hidrostática resultante:

Igualando se tiene:

( )

Considerando la ecuación de continuidad por unidad de ancho.

Y simplificando y reemplazando q en función de se obtiene:

(

)

( )

Resultando el tirante conjugado:

(√

)

Con ayuda de la expresión del número de Froude se tiene:

(√

)

Las profundidades Y1 y Y2, se llaman profundidades conjugadas o secuentes y tienen la

particularidad que la función momentum es la misma para ambas profundidades mientras que

existe una variación de la energía específica, debida a la perdida de energía producida por el

resalto, como se observa en las figuras.

Resalto hidráulico y diagramas E vs Y y M vs Y, en canales de fondo horizontal.

FUNCIÓN MOMENTUM (M)

Aplicando la ecuación de balance de cantidad de movimiento proyectada según la dirección del flujo, se obtiene la siguiente ecuación:

Donde:

β1 Y β2: son los coeficientes de Boussinesq en ambas secciones.

Ftotal: las fuerzas externas actuantes sobre el volumen de control elegido.

Ptapa1 y Ptapa2 son las resultantes de las presiones sobre las dos secciones.

W.senϴ es la componente en la dirección del flujo del peso encerrado en el volumen de

control.

Ff : es la fuerza total externa de fricción (tensión de corte) actuando a lo largo de la superficie

de contacto entre el agua y el canal.

Si se supone que:

La pendiente del canal es pequeña o nula (canal de pendiente horizontal), entonces senϴ = 0

Distribución uniforme de las velocidades en la sección: β1 = β2 = 1,

Las secciones 1 y 2 están lo suficientemente próximas como para despreciar los efectos de la

tensión de corte.

La ecuación anterior se reduce a:

Reordenando:

Es así que se define la función “momentum” o “fuerza específica” como:

PERDIDA DE ENERGIA

Se define como la diferencia de energías específicas antes (flujo supercrítico) y después del

resalto (flujo subcrítico)

( )

EFICIENCIA

Se define la eficiencia de un resalto hidráulico como la relación de energía especifica después y

antes del resalto:

(

)

(

)

Por lo que se puede advertir, la eficiencia de un resalto hidráulico depende únicamente del

número de Froude de aguas arriba.

Adicionalmente, se puede determinar la eficiencia de conversión de energía cinética ( ) en

potencia ( ) de una partícula en la superficie de agua.

( )

TIPOS DE RESALTO HIDRAULICO

Tipo Características del resalto Esquema

Flujo crítico, por lo que no se forma ningún resalto.

Ondular

La superficie de agua presenta la tendencia a la formación

de ondulaciones. La disipación de energía es baja, menor del 5%.

Débil

El ondulamiento de la superficie en el tramo de mezcla es mayor y aguas abajo las perturbaciones superficiales son menores. Se generan muchos rodillos de agua en la superficie del resalto, seguidos de una superficie suave y estable. La energía disipada está entre el 5%-15%.

Oscilante

Presenta un chorro intermitente sin ninguna periodicidad, que parte desde el fondo y se manifiesta hasta la

superficie, y retrocede nuevamente. Cada oscilación produce una gran onda que puede viajar largas distancias.

La disipación de energía es del 15%-45%.

Estable e trata de un resalto plenamente formado, con mayor estabilidad y el rendimiento es mejor, pudiendo variar la energía disipada entre 45 % a 70 %.

Fuerte

Resalto con gran disipación de energía (hasta 80 %), gran ondulación de la superficie con tendencia de traslado de la zona de régimen supercrítico hacia aguas abajo. Caracterizado por altas velocidades y turbulencia, con

generación de ondas y formación de una superficie tosca aguas abajo.

La imagen anterior corresponde la clasificación del flujo según el Bureau of Reclamation de los

Estados Unidos que investigo diferentes tipos de resalto hidráulico en canales horizontales,

cuya base de clasificación es el número de Froude en la sección de aguas arriba.

En la práctica se recomienda mantener el resalto hidráulico en la condición de resalto estable,

por cuanto se trata de un resalto bien formado y accesible en las condiciones de flujo reales, si

bien la disipación que se logra no alcanza los mejores niveles. En los casos de resalto

permanente y fuerte, las condiciones hidráulicas aguas abajo son muy exigentes y difíciles de

cumplir en la práctica de ingeniería.

LONGITUD DEL RESALTO HIDRAULICO

Un parámetro importante en el diseño de obras hidráulicas es la longitud del

resalto, que definirá la necesidad de incorporar obras complementarias para

reducir esta longitud o aplicar medidas de protección de la superficie para

incrementar su resistencia a los esfuerzos cortantes.

Los resultados de pruebas experimentales, realizadas en 6 canales de

laboratorio, por el bureau of reclamation, en donde se relacionan L/Y2 vs

FR1, se representan en la figura; Silvester propone una ecuación empírica

para el cálculo de la longitud del resalto en canales rectangulares y lechos

horizontales relacionados a continuación:

( )

Relación adimensional para la longitud del resalto hidráulico en canales

horizontales. Bureau of Reclamation. Chow, V.T (1982)

Las investigaciones experimentales logradas por muchos autores para la

longitud del resalto hidráulico solo para canales rectangulares son:

Según USBR-2 (E.U.):

(

)

Según Smetana (Rep. Checa):

( )

Según Safranez (Alemania):

Según Einwachter (Alemania):

( )

Según Wóycicki (Polonia):

( ) ( )

Según Chertusov (Rusia):

( )

Según Sieñchin:

( )

EQUIPOS

banco de canal de laboratorio de mecánica de fluidos

HERRAMIENTAS

Limnímetro

Reglas

Obstáculo

MATERIALES

Agua

Tabla de caudales para un vertedero triangular a partir de la carga hidráulica en ella.