Energía específica - hidraulica de canales

ENERGÍA ESPECÍFICA
Aplicación

En el diseño de conductos abiertos como son los canales es importante definir la energía específica que presenta el flujo en una determinada sección, ya que esto nos permite definir la capacidad para desarrollar un trabajo, así mismo la determinación del tirante crítico tiene una aplicación directa en la definición del tipo de régimen que presenta un determinadoescurrimiento, ya que si el tirante con que fluye un determinado caudal es menor que el tirante crítico, se sabe que el escurrimiento es en régimen supercrítico (rápido) y si es mayor que el crítico entonces el escurrimiento es en régimen subcrítico (lento).

Definiciones, fórmulas y unidades a utilizar

1.1
Energía Especifica (E). Se define como la energía por unidad de peso m kgkgque alconsiderar la plantilla del conducto como plano de referencia (z = 0) se tiene:

1.2
Ya que la carga de presión en la plantilla debido al tirante de agua “y” es p / 
Considerando la ecuación de continuidad (Q = AV), se tiene la siguiente ecuación para la energía específica:

Figura 1.1
Energía mínima (Emin). Es la energía mínima o crítica con que un cierto gasto puede fluir en uncanal y es el límite entre el flujo subcrítico y supercrítico, tal como se puede apreciar en la figura anterior. Para calcular la energía mínima derivamos la ecuación de la energía:

1.4
En la figura 1.1 de la sección transversal se deduce que:

1.5
Entonces, se tiene que la ecuación que permite calcular la energía mínima o condición crítica es:

dEdy=1-Q2gA2 B=0
1.6

1.7
Y, para unasección rectangular, en la cual B b y A by, el tirante crítico (yc) se puede obtener como:

1.8
La energía mínima para una sección rectangular se puede calcular por medio de la siguiente ecuación:

1.9

TIPOS DE FLUJO
Flujo crítico
Este tipo de flujo presenta una combinación de fuerzas inerciales y gravitacionales que lo hacen inestable, convirtiéndolo en cierta manera en un estadointermedio y cambiante entre los otros dos tipos de flujo. Debido a esto es bastante inaceptable y poco recomendable, usarlo en el diseño de estructuras hidráulicas. Para éste tipo de flujo el número de Froude es igual a 1 y en esta condición no se generan resaltos hidráulicos (disipadores de energía).
Flujo supercrítico
En este tipo de flujo las fuerzas inerciales presentan una influencia mucho mayorque las fuerzas gravitacionales. Además de esto, el flujo se presenta a velocidades y pendientes altas, y a profundidades más pequeñas. Cuando existe un flujo de este tipo en un canal un aumento en la cantidad de energía provoca una disminución de la profundidad de la lámina de agua. El número de Froude, en este caso, es mayor a 1. Este estado de flujo propicia la formación de resaltos hidráulicos;estos aumentan su capacidad de disipación de energía en ciertos intervalos, alcanzando la mayor capacidad
Flujo subcrítico
Para este régimen de flujo las fuerzas inerciales son sobrepasadas en importancia por las gravitacionales; en el flujo se tienen velocidades y pendientes bajas, pero las profundidades de la lámina del agua, por el contrario, son mayores que las que se presentan en el flujosupercrítico. Para este tipo de flujo un aumento en la energía se traduce en un aumento en la profundidad de la lámina de agua. El número de Froude en este estado es menor a 1.

NUMERO DE FROUDE
Para calcular el número de Froude y determinar el estado en que se encuentra el flujo se usa la siguiente relación:
En ella se relaciona la velocidad, gravedad y la profundidad hidráulica; estaúltima está definida como el cociente entre el área mojada y el ancho de la superficie del canal.

SECCION DE CONTROL
Aplicación

En todo cauce natural o artificial donde fluye un líquido es de interés común el conocer qué cantidad de ése líquido está fluyendo en un determinado tiempo, lo cual puede ser contestado de diversas formas, algunas ya vistas en clases y/o en prácticas de laboratorio,...