Hidraulica De Canales

Capítulo 6

TRANSICIONES EN CANALES

6.1 Introducción

Una transición, puede ser definida (ref. 1), como un cambio en la dirección, pendiente, sección transversal o elevación de la plantilla del fondo del canal que produce un cambio en el estado del flujo. Prácticamente todas las transiciones de interés ingenieril son comparativamente estructuras cortas, aunque pueden afectar el flujo unagran distancia aguas arriba o aguas abajo.
Todo tipo de transiciones incluye los controles; todos los controles son transiciones, aunque no todas las transiciones son controles. Sin embargo, es conveniente tratar los dos tópicos por separado. Existen transiciones que siempre actúan como controles, como es el caso de los aforadores tipo Venturi*.

6.2 Expansiones y contracciones

Estasestructuras constituyen el tramo de unión de dos canales con secciones transversales de forma y dimensiones distintas, a fin de reducir o aumentar la velocidad del flujo e impedir la erosión o depósito de material suelto.
El cambio de sección transversal puede ser, aumentando (expansión) o disminuyendo (contracción) el área, de manera brusca o gradual, manteniendo o no el régimen del flujo.
Elescurrimiento en una contracción se acelera al aumentar la velocidad y debido a que la energía total del agua no puede aumentar, la presión hidrostática de cualquier línea de corriente, tiene que disminuir en la dirección del flujo. Los estudios teóricos y experimentales indican que, para esas condiciones, las pérdidas de energía son pequeñas y el escurrimiento no se separa de las paredes. Locontrario acontece en una expansión, donde hay posibilidad de que la corriente se separe; cuando esto ocurre, las pérdidas de energía son relativamente grandes.

6.2.1 Expansiones y contracciones, en régimen subcrítico

Las contracciones y expansiones pueden consistir en transiciones bruscas, logradas mediante un escalón positivo en la plantilla del canal que produce contracción (Fig. 6.1-a) y conescalón negativo que produce expansión (Fig. 6.1-b). Cuando el cambio de geometría es en planta, hay expansión en el caso de las figuras 6.1-c y 6.1-d y contracción en los casos representados por las figuras 6.1-e y 6.1-f. Para facilidad, en su tratamiento (de las expansiones y contracciones, producidas por escalones), se considera que el canal es de sección rectangular, piso horizontal opendiente muy pequeña.

Fig. 6.1-a Contracción (escalón) Fig. 6.1-b Expansión (escalón)

Fig. 6.1-c Expansión brusca (ancho) Fig. 6.1-d Expansión brusca

Fig. 6.1-e Contracción brusca (ancho) Fig. 6.1-f Transición brusca en el ancho

De la aplicación de las ecuaciones de continuidad, energía e impulso y cantidad de movimiento, es factible determinar la pérdida de energía porconvexión, hc que se produce por el cambio de sección. En este caso, la pérdida de energía se compone por la pérdida por fricción, hf y la pérdida por convexión hc. La de fricción puede estimarse por la fórmula de Manning u otra fórmula de fricción, usualmente tiene poco efecto y puede ignorarse en el diseño preliminar.

6.2.1.1. Expansiones y contracciones bruscas

En las figuras 6.1 se hanfijado tres secciones transversales; para la aplicación de las tres ecuaciones fundamentales de la hidráulica. Para ello se establecen las siguientes hipótesis:

* a) La fuerza de fricción Ff producida en la distancia que separa las secciones transversales 1 y 3 es despreciable, debido a que dicha longitud es pequeña y la pared es lisa.

* b) El número de Froude (Fr), en la sección 1, esmenor que 1, por consiguiente, sus potencias Fr4 ó mayores son despreciables.

Las transiciones bruscas, producidas por un escalón (positivo o negativo), pueden tratarse simultáneamente, si se atiende al signo que debe llevar la fuerza P2 debida a la presión hidrostática sobre el escalón. Para la figura 6.1-a y 6.1-b, la ecuación de cantidad de movimiento conduce a:

Con , para i = 1, 2, 3....