laboratorio

Hidráulica
Tema 10
Fluidos incompresibles (IV)
Canales abiertos

Estructura del tema (I)

•
•
•
•
•
•

Descripción de canal abierto
Flujo uniforme: pérdidas de carga
Número de Froude. Velocidad de onda
Número de Mach
Flujos crítico, subcrítico y supercrítico
Energía específica

Estructura del tema (II)

•
•
•
•

Fórmulas de Chèzy y Manning
Flujo no uniforme: resaltohidráulico
Obstáculos: hoyos en canales
Efecto de la variación de área en el flujo
compresible bidimensional.

Canal abierto (Definición)

• Un canal abierto es aquél en el que la
•

superficie libre del fluido está en contacto con
la atmósfera o medio similar.
Ejemplos de canal abierto:
– Ríos, canales, acequias
– Tubo cerrados no llenos completamente del fluido
que transportanCanal abierto (Tipos de flujo)

• Los flujos en canales abiertos pueden ser:
– Estacionarios y no estacionarios
– Unidimensionales
– Velocidad variable en la sección

Canal abierto (Tipos de flujo)

• Los flujos en canales abiertos pueden ser:
– Uniformes o no uniformes
• Se dice que el flujo es uniforme si la profundidad
del flujo y la velocidad promedio se mantienen
constantesCanal abierto (Tipos de flujo)

• Los flujos en canales abiertos pueden ser:
– Uniformes o no uniformes
• Cuando un canal abierto tiene pendiente la

•
•

velocidad del fluido aumenta hasta un límite en
que las fuerzas viscosas se igualan a las inerciales
debidas a la caída de elevación.
Cuando el fluido alcanza su velocidad límite el
flujo es UNIFORME
El flujo se mantieneuniforme si la pendiente,
rugosidad o caudal no cambian.

Canal abierto (Tipos de flujo)

• Los flujos en canales abiertos pueden
ser:
– Uniformes o no uniformes
• La presencia de obstáculos en el canal provoca

•

cambios en la profundidad del flujo, lo que
ocasiona que el flujo se torne NO UNIFORME O
VARIADO.
El flujo variado puede ser de VARIACIÓN RÁPIDA
o de VARIACIÓN GRADUALCanal abierto (Tipos de flujo)

• El flujo de VARIACIÓN RÁPIDA o de
VARIACIÓN GRADUAL

Canal abierto (Tipos de flujo)

• El flujo puede ser LAMINAR o
TURBULENTO
– La definición viene dada por el número de
Reynolds.

Re =

vRH

ν

– En esta expresión se utiliza el radio hidráulico
y no el radio geométrico

AC
RH =
p

Radio y diámetro hidráulicos

• La relación entre radioy diámetro
hidráulico viene dada por:

• Ejemplos:
– Canal rectangular:
– Capa líquida:

AC
DH = 4
= 4 RH
p

yb
y
RH =
=
b + 2 y 1+ 2 y

yb
yb
RH =
=
≅y
b + 2y b

b

Radio y
diámetro
hidráulicos

Número de Froude

• El número de Froude establece la relación
entre las fuerzas de inercia y las
gravitatorias.

Ma ρ L v
v
=
=
→ Fr =
3
Mg ρ L g Lg
2 2

2v
Lg

• L: longitud característica (profundidad del
flujo en canales rectangulares anchos)

Número de Froude

• El número de Froude establece la relación
entre las fuerzas de inercia y las
gravitatorias.

Fr =

1

2  ρ Sv 2 
ρ Sv 2
v
v2
2
 ∝ Finercia
2
→ Fr =
=
=
Lg ρ SLg
mg
Fgrav
Lg

Flujo crítico, subcrítico y supercrítico

• El número de Froudepermite establecer si
el flujo es crítico, subcrítico o supercrítico.
–
–
–
–
–

Fr1
Fr1

Subcrítico o tranquilo
Crítico
Supercrítico o rápido
predominan las fuerzas gravitatorias
predominan las fuerzas inerciales

Número de Froude y número de Mach

Profundidad crítica

• Se define como la correspondiente a la
velocidad promedio para flujo crítico.
_
2

– Caso general

VyC = 2
gAC
 2 
V 
yC =
 gb 2 




_

– Canal rectangular

1

3

Profundidad crítica
– y>yc
Subcrítico o tranquilo

– y=yc
Crítico

– yyc
y=yc
y, Es→y
Para y=yc → v=vc ; Es = Esc
(punto crítico)

Es>0 siempre, salvo que el caudal sea cero
Sólo existe un valor de Es para cada yc
Pueden existir dos valores de yc para un mismo Es
Cambios leves de Es en yc...