hidraulica

LABORATORIO Nº 1 - CI41A
"Escurrimientos con Superficie Libre en un Canal Rectangular"
1.-

Objetivo

El principal objetivo de este laboratorio es que los alumnos visualicen y
analicen los dos posibles escurrimientos con superficie libre, río y torrente, junto con la
singularidad de una compuerta de fondo y el desarrollo de un resalto hidráulico.

2.-

Antecedentes Básicos

2.1.-Energía Específica

De la aplicación del teorema de cantidad de movimiento en forma diferencial
o de la conservación de la energía, se puede definir una magnitud media en una sección del
escurrimiento que representa la energía por unidad de peso del fluido, denominada
Bernoulli, como:
B =α

v2 P
+ +z
2g γ

siendo v la velocidad media del flujo, P la presión en el centro de g
ravedadde la sección, z
la distancia desde un datum hasta el centro de gravedad de la sección, g la aceleración de
gravedad y α el coeficiente de Coriolis, ver Fig. 1.

Fig. 1

1

Si el escurrimiento es gradualmente variado, es decir dh/dx pequeño, se
puede suponer la ley hidrostática válida, y considerando que el flujo es turbulento (
α≈1) y
la pendiente del canal despreciable, la ecuacióndel Bernoulli puede ser reescrita como:
B=

v2
+h+zf
2g

donde h es la altura de escurrimiento y zf la cota de fondo del canal. Se define como
Energía Específica el Bernoulli menos la cota de fondo:
E=

v2
+h
2g

la que para el caso de canales rectangulares se puede reescribir como:
q2
E=
+h
2g h 2
donde q es el caudal por unidad de ancho. Para un caudal q dado, la ecuaciónanterior
presenta un mínimo (Ec) cuando se tiene una altura denominada crítica (hc). Para valores de
la energía mayores al mínimo pueden existir dos posibles tipos de escurrimiento: el de río
(el que corresponde al de mayor altura) y el de torrente (el de altura menor), ver Fig. 2. La
existencia de uno u otro régimen depende de las condiciones de borde del problema.

7.0
6.0

h/hc

5.0
4.03.0
2.0
1.0
0.0
0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

E/Ec
Fig. 2

2

3.0

3.5

4.0

4.5

2.2.-

Conservación de la Energía Específica en Contracciones del Flujo

Es sabido que cuando el flujo experimenta una aceleración, las pérdidas de
energía son despreciables. Esta es la situación del flujo a través d contracciones, siendo un
e
caso particular el flujo a través de unacompuerta, como la esquematizada en la Fig. 3.

Fig. 3

El coeficiente de contracción es una función de a y h, pero si el valor de a/h
es pequeño, se puede suponer CC igual a π/(π+2).
2.3.-

Resalto Hidráulico

En una canalización las condiciones de borde pueden forzar la existencia de
un torrente aguas arriba y un río aguas abajo. La compatibilización de estos regímenes deescurrimiento se efectúa por medio de un resalto hidráulico, el cual lleva asociado una gran
pérdida de energía.
La ecuación de la cantidad de movimiento puede ser aplicada tanto a las
secciones aguas arriba y abajo del resalto hidráulico, ver Fig. 4. Si se desprecia la fuerza de
roce y el peso del fluido en la dirección del escurrimiento, lo que equivale a suponer que la
pendiente del canal es pequeña,se llega a que la función momenta debe ser igual en ambas
secciones.
La función momenta para canales de sección rectangular es:
M=

q2 1 2
+ h
gh 2

3

Fig. 4

3.-

Instalación Experimental

Se dispone de un canal de pendiente variable, de sección rectangular de
ancho 50 cm y con una longitud de 14 m. En la sección media de este canal se ha colocado
una compuerta de hoja, conuna abertura de 7 cm, la que actúa como un control hidráulico,
es decir, impone un régimen de río aguas arriba de ésta y de torrente aguas abajo. Al final
del canal existe otra compuerta de abertura regulable que impone un régimen de río aguas
arriba de ésta, el cual se compatibiliza con el torrente de aguas abajo de la compuerta
anterior por medio de un resalto hidráulico.
Para la medición...