Ingenieria

Capitulo 3

Flujo Uniforme

Los conceptos que relacionan el flujo en canales con una superficie libre son ciertamente los mas complicados en la ciencia de la Hidráulica, pero al mismo tiempo su aplicación práctica es ilimitada en el entendimiento del comportamiento de ríos, quebradas, y canales artificiales.

Teniendo en cuenta las dificultades en la solución de problemas asociados concanales abiertos, se han definido fórmulas simples que permiten el cálculo del caudal para el caso en que la línea de energía (Sf) es paralela a la superficie del agua (Sw) y al fondo del canal (So), en este caso la energía ganada por el agua en un tramo (efecto de la gravedad) es igual a la energía perdida por efecto de la fricción. Debido a que no hay aceleración o desaceleración a lo largo delcanal, la profundidad, así como el término de energía cinética (v2/2g) permanecen constantes y se tiene flujo uniforme. Para que un flujo se características:

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La profundidad, el área transversal, la velocidad, y el caudal en cada sección del canal deben ser constantes La pendiente de la línea de gradiente de energía Sf, la pendiente de la superficie del agua Sw, y la del fondo la delcanal S0, son todas paralelas, esto es: Sf = Sw = So El flujo uniforme es, para cualquier propósito práctico, también permanente ya que el flujo no - permanente y uniforme no existen en la naturaleza. Cuando el agua fluye en un canal abierto, por efecto de la acción de la gravedad, en los contornos de contacto entre el fluido y el sólido se origina una fuerza de resistencia que se opone almovimiento. Cuando se alcanza el equilibrio dinámico de estas fuerzas se produce el flujo uniforme. La distribución de presiones en la vertical es hidrostática (pendientes del canal pequeñas).

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considere uniforme, debe tener las siguientes

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La diferencia principal entre flujo a presión y flujo en canales abiertos consiste en que en los últimos el área de la sección transversal esvariable y depende de otros factores relacionados con el flujo, por esta razón los cálculos en canales abiertos son más complicados.

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Cuando un flujo ocurre en un canal o tubería de tal forma que tiene una superficie libre expuesta a presión atmosférica, entonces se está tratando con flujo en canales abiertos. Ríos, quebradas, alcantarillados, canales de riego, canales de drenaje,alcantarillas y cualquier estructura similar construida por el hombre son diseñadas y analizadas por métodos de flujo en canales abiertos.

En general el flujo uniforme ocurre únicamente en canales prismáticos muy largos y rectos, en donde puede obtenerse una velocidad terminal del flujo, la pérdida de energía ocasionada por flujo turbulento es exactamente balanceada por la reducción en energíapotencial producida por el decremento uniforme en la elevación del fondo del canal. Además, aunque el flujo uniforme no permanente es teóricamente posible, rara vez ocurre en canales abiertos, por lo que únicamente el caso de flujo uniforme permanente será tratado en este capítulo.

3.1

Características Generales

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Cualquiera de los tipos de flujos descritos en Mecánica de Fluidos: laminar,turbulento suave, turbulento de transición y turbulento total; los cuales se identifican muy fácilmente en el diagrama de Moody, pueden ocurrir en corrientes de superficie libre. Como el estudio de la hidráulica se concentra al transporte del fluido agua, la ocurrencia de un flujo laminar en el cual predominan los efectos viscosos y que se identifica por números de Reynolds bajos, sólo se presentanen escorrentía superficial cuando el agua se desliza suavemente en forma de una película delgada sobre superficies uniformes tales como: calles, carreteras, pistas de aeropuertos y parqueaderos. Aún el flujo turbulento suave, que es función únicamente de la viscosidad (número de Reynolds), es bastante raro en corrientes de superficie libre, debido a que la mayoría de los canales son de rugosidad...