INSTITUTO TECNOLOGICO DE TEPICIngeniería Civil

Hidráulica de Canales

ContenidoINTRODUCCIÓN.................................................................................................................................................2

OBJETIVO...........................................................................................................................................................2

MARCO TEORICO...............................................................................................................................................2

DESARROLLO.....................................................................................................................................................6

MEMORIA DE CÁLCULO.....................................................................................................................................7

CONCLUSIONES.................................................................................................................................................9

EVIDENCIAS FOTOGRÁFICAS...........................................................................................................................10

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INTRODUCCIÓN Para poder comprender por completo el comportamiento de un fluido crítico, se necesitan determinar un gran número de características o parámetros que, juntos y/o individualmente, proporcionan datos muy importantes obtenidos a partir de consideraciones por demás significativas.

De todos aquellos parámetros probablemente los más sencillos de calcular, y que por consiguiente, los que pueden proporcionar información rápida del tipo de fluido crítico para poder definirlo correctamente son los numero de Reynolds y el número de Froude. El importante en esta práctica es el de Froude pues se trata del estudio en un canal abierto

OBJETIVO Analizar y observar el comportamiento del flujo critico en un canal

abierto. Calcular el tirante crítico.

MARCO TEORICOEl flujo de canales abiertos tiene lugar cuando los líquidos fluyen por la acción de la gravedad y solo están parcialmente envueltos por un contorno sólido. En el flujo de canales abiertos, el líquido que fluye tiene superficie libre y sobre él no actúa otra presión que la debida a su propio peso y a la presión atmosférica.

El flujo en canales abiertos también tiene lugar en la naturaleza, como en ríos, arroyos, etc., si bien en general, con secciones rectas del cauce irregulares. De forma artificial, creadas por el hombre, tiene lugar en los canales, acequias, y canales de desagüe. E n la mayoría de los casos. Los canales tienen secciones rectas regulares y suelen ser rectangulares, triangulares o trapezoidales.

También tienen lugar el flujo de canales abiertos en el caso de conductos cerrados, como tuberías de sección recta circular cuando el flujo no es a conducto lleno. En los sistemas de alcantarillado no tiene lugar, por lo general, el flujo a conducto lleno, y su diseño se realiza como canal abierto. 

NUMERO DE FROUDE

El número de Reynolds y los términos laminar y turbulentos no bastan para caracterizar todas las clases de flujo en los canales abiertos.El mecanismo principal que sostiene flujo en un canal abierto es la fuerza de gravitación. Por ejemplo, la diferencia de altura entre dos embalses hará que el agua fluya a través de un canal que los conecta. El parámetro que representa este efecto gravitacional es el Número de Froude, puede expresarse de forma

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adimensional. Este es útil en los cálculos del resalto hidráulico, en el diseño de estructuras hidráulicas y en el diseño de barcos.

L - parámetro de longitud [m] v - parámetro de velocidad [m/s] g - aceleración de la gravedad [m/s²]

El flujo se clasifica como:

Fr<1, Flujo subcrítico o tranquilo, tiene una velocidad relativa baja y la profundidad es relativamente grande, prevalece la energía potencial. Corresponde a un régimen de llanura.

Fr=1, Flujo crítico, es un estado teórico en corrientes naturales y representa el punto de transición entre los regímenes subcrítico y supercrítico.

Fr>1, Flujo supercrítico o rápido, tiene una velocidad relativamente alta y poca profundidad prevalece la energía cinética. Propios de cauces de gran pendiente o ríos de montaña.

GEOMETRIA DEL CANAL

Un canal con una sección transversal invariable y una pendiente de fondo constante se conoce como canal prismático. De otra manera, el canal es no prismático; un ejemplo es un vertedero de ancho variable y alineamiento curvo. Al menos que se indique específicamente los canales descritos son prismáticos.

El trapecio es la forma más común para canales con bancas en tierra sin recubrimiento, debido a que proveen las pendientes necesarias para la estabilidad.

El rectángulo y el triángulo son casos especiales del trapecio. Debido a que el rectángulo tiene lados verticales, por lo general se utiliza para canales construidos para materiales estables, como mampostería, roca, metal o madera. La sección transversal solo se utiliza para pequeñas asqueas, cunetas o a lo largo de carreteras y trabajos de laboratorio. El círculo es la sección más común para alcantarillados y alcantarillas de tamaño pequeño y mediano.

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Los elementos geométricos de una sección de canal son propiedades que estarán definidas por completo por la geometría de la sección y la profundidad del flujo del canal. Estos elementos son muy importantes para el estudio de los flujos en canales abiertos y las expresiones más características son las siguientes:

Rh= Ac/P

Donde Rh es el radio hidráulico en relación al área mojada (Ac) con respecto su perímetro mojado (P).

Yc = Ac/b

La profundidad hidráulica D es relación entre el área mojada y el ancho de la superficie.

Secciones RectangularesCriterio para mejor sección transversal hidráulica (para canal rectangular):

ENERGIA ESPECÍFICA

La energía específica en una sección de canal se define como la energía de agua en cualquier sección de un canal medida con respecto al fondo de este.

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O, para un canal de pendiente pequeña y =1, la ecuación se convierte en

La cual indica que la energía específica es igual a la suma de la profundidad del agua más la altura de velocidad. Para propósitos de simplicidad, el siguiente análisis se basará en un canal de pendiente pequeña. Como V=Q/A, puede escribirse como E=y+Q2/2gA2. Puede verse que, para una sección de canal y caudal Q determinados, la energía específica en una sección de canal sólo es función de la profundidad de flujo.

Cuando la profundidad de flujo se gráfica contra la energía para una sección de canal y un caudal determinados, se obtiene una curva de energía específica, como se muestra en la siguiente figura. Esta curva tiene dos ram as, AC y BC. La rama AC se aproxima asintóticamente al eje horizontal hacia la derecha. La rama BC se aproxima a la línea OD a medida que se extiende hacia arriba y hacia la derecha. La línea OD es una línea que pasa a través del origen y tiene un ángulo de inclinación. Para un canal de pendiente alta, el ángulo de inclinación de la línea OD será diferente de 45°. En cualquier punto P de esta curva, la ordenada representa la profundidad y la abscisa representa la energía específica, que es igual a la suma de la altura de presión "y" y la altura de velocidad V2/2g. Ven Te Chow (1994).

Curva de energía especifica

TIRANTE CRITICO

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También es importante conocer las fórmulas para el cálculo del tirante crítico y se muestran a continuación.

DESARROLLO Encendimos el canal, para trabajar en la práctica correspondiente, que

era “Flujo Critico”, con una pendiente dada y una velocidad establecida.

Calculamos el Caudal del canal trabajado, para un tiempo de 20 s. Procedimos a calcular el tirante crítico del canal, el cual se encuentra

ubicado cerca de la caída del depósito de llenado del caudal. Obstaculizamos el flujo del canal mediante reductores de velocidad,

los cuales eran unas piezas especiales para dicho trabajo, esto con el objetivo de determinar si el caudal presentaba tirante crítico con este tipo de pieza

Colocamos una pieza con forma de escalón para conocer si presentaba tirante crítico.

Procedimos a realizar los mismos pasos anteriores, pero con diferente valor de caudal.

Hicimos las operaciones correspondientes para el análisis del flujo crítico y determinamos el tirante crítico para dicho caudal.

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MEMORIA DE CÁLCULOPrimeramente calculamos el caudal que poseía el canal.

Primera medición Volumen: 3.1625 tiempo: 20 seg Q1= 0.001581 m3/segVolumen: 2.3925 tiempo: 15 seg Q2= 0.001595 m3/seg

Promedio: 0.001585 m3 /seg

Calculando Yc(Tirante critico de la caida)

Yc=3√ Q2b2gYc=3√ 0.0015852

(0.08 )2(9.81)=0.034m=3.4 cm

Calcular el tirante critico con la transicion

Yc=3√ Q2b2gYc=3√ 0.0015852

(0.042 )2(9.81)=0.05256m=5.3cm

Calcular el tirante crítico con un escalón en el canal

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V 1=QA

V 1=0.001585

(0.10)(0.08)=0.20 m

3

seg

V 12

2g=0.002

E= V 12

2g+Yc

E1 = ∆ z+E2

0.102 – 0.05 = E2

E2 = V 22

2g+Yc

Yc = 0.034

Ahora para un caudal de 0.0006 m3/seg

Calculando Yc(Tirante critico de la caida)

Yc=3√ Q2b2gYc=3√ 0.00062

(0.08 )2(9.81)=0.018m=1.8cm

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Calcular el tirante critico con la transicion

Yc=3√ Q2b2gYc=3√ 0.00062

(0.042 )2(9.81)=0.028m=2.8cm

CONCLUSIONESEsta práctica pudimos comprobar el cambio del flujo de súper crítico a sub crítico en un canal de sección rectangular, con la ayuda de una transición y un escalón. Además comprobamos si cada uno de ellos tenía el tirante crítico.

Esto se debe de estudiar y observar en la práctica, pues en la vida profesional de un ingeniero, continuamente se estará topando con este tipo de situaciones, y el saber tratarlos y trabajar con ellos es importante para que tenga una visión amplia en la solución de este tipo de situaciones.

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