Flujo Uniforme

FLUJO UNIFORME

Curso de Hidrología e Hidráulica Aplicadas

1.

Flujo Uniforme

RESISTENCIA AL FLUJO.

En los flujos a superficie libre la componente del peso del agua en la dirección
del flujo, fuerza motora, causa la aceleración de éste (o desaceleración si la
pendiente de fondo es negativa), mientras que la tensión de corte, rasante o
“fricción” contra las paredes y el fondo delcanal ofrece resistencia al flujo,
desacelerándolo.
Definición:

Tensión rasante (notación: τ, tau),
Es la tensión (fuerza por unidad de superficie) ejercida sobre
el fluido a través de una determinada superficie en la dirección
tangente a esta superficie.

Dependiendo de la magnitud relativa entre esas fuerzas que aceleran y
desaceleran el flujo, éste último responde en consecuencia.Por ejemplo si la
fuerza de fricción es mayor que la componente del peso, entonces la velocidad
del flujo se reduce y consecuentemente el tirante aumenta.
Si el canal es largo y prismático (esto es que ni la forma de la sección
transversal ni la pendiente de fondo del canal cambian con la distancia)
entonces del flujo se acelera o desacelera a lo largo de una cierta distancia,
hasta que lasfuerzas motoras y resistivas se igualan. De allí en más la
velocidad del flujo y el tirante se mantienen constantes, configurándose la
situación denominada FLUJO UNIFORME.
Definición:

Flujo uniforme
Un flujo se considera uniforme cuando cualquier magnitud que
se considere permanece invariante entre todas las secciones
del canal.
Tirante normal
El tirante de flujo existente en unacondición de flujo uniforme
para unas características del canal y un caudal dados.

Obsérvese que la definición de flujo uniforme implica necesariamente que éste
ocurre únicamente en canales prismáticos.
La condición de flujo uniforme rara vez ocurre en la práctica, sin perjuicio de lo
cual el concepto de flujo uniforme es central para la comprensión de muchos
problemas y en ocasiones inclusopermite aproximar a una solución
relativamente simple y suficientemente satisfactoria para diversos problemas
prácticos.
El flujo uniforme ocurre cuando la pérdida de energía ocasionada por el flujo
turbulento es exactamente balaceada por la reducción en energía potencial
UdelaR - FI - IMFIA - 2010

4. 1

E. Lorenzo, D. Bellón, & G. Lopez

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FlujoUniforme

producida por el decremento uniforme en la elevación del fondo del canal. El
flujo uniforme no permanente es teóricamente posible aunque
excepcionalmente ocurre, por lo que a continuación se presentará únicamente
el caso de flujo uniforme estacionario.

UdelaR - FI - IMFIA - 2010

4. 2

E. Lorenzo, D. Bellón, & G. Lopez

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2.Flujo Uniforme

FLUJO UNIFORME ESTACIONARIO.

Matemáticamente la uniformidad del flujo se expresa como


 0 , con φ una
x

magnitud cualquiera que puede ser la profundidad hidráulica (D), el tirante (y),
el área de la sección transversal (A) o la velocidad media (v).
Para un flujo uniforme estacionario donde circule un caudal Q dado el tirante (y)
y por tanto la velocidad media (v)son constantes, lo cual implica que la línea de
energía, la línea del nivel superficial y la línea del nivel del fondo resultan ser
paralelas entre sí. Las pendientes de dichas líneas se notan con las letras Sf,
Sw, So. Para el caso uniforme entonces Sf = Sw = So.

Una expresión para la ecuación de resistencia que actúa en la condición de
flujo uniforme puede obtenerse haciendo un balancemecánico entre las
fuerzas motoras, que actúan en la dirección del flujo, y la fuerzas resistivas o
de tensión rasante, que actúan en el sentido contrario al flujo.
A tal efecto se plantea determinar una expresión que evalúe la tensión rasante
media o promedio a lo largo del perímetro mojado del canal ( τo ).

2.1 ECUACIONES QUE GOBIERNAN EL FLUJO UNIFORME.
Considérese una esquematización...