Laboratorio de fluidos : energía específica y momenta en canales abiertos

ENERGÍA ESPECÍFICA Y MOMENTA EN CANALES ABIERTOS

OBJETIVO

* El objetivo principal del resalto hidráulico es disipar energía de un fluido que viene con mucha velocidad y darle una energía apropiada para no dañar los alrededores del canal.
* Determinar la relación existente entre la Energía Específica en un canal rectangular y el tirante.
* Comprobar mediante cálculos teóricosvalores de energía mínima y tirante crítico.

INTRODUCCIÓN

Cuando hablamos de flujos en canales abiertos, se refiere al movimiento con superficie libre de un líquido en un conducto.
Existen muchos ejemplos prácticos, en el caso de los artificiales se encuentran los acueductos, aliviaderos, canales, vertederos, zanjas de drenaje, alcantarillas, etc. y en los naturales los arroyos, ríos,estuarios, inundaciones, etc.
Un caso particular de la aplicación de la Ecuación de la Energía, se da cuando dicha energía está referida al fondo de la canalización, toma el nombre de ENERGÍA ESPECÍFICA en canales para un caudal constante, en cada sección de una canalización rectangular, obtenemos un tirante y un valor de energía específica, moviéndose el agua de mayor a menor energía con un gradiente eneste caso coincidente con la pendiente de energía.
Analíticamente es posible predecir el comportamiento del agua en el canal rectangular y el tirante, sin embargo la observación del fenómeno es ahora de mayor importancia y toda conclusión debe estar íntimamente ligada al experimento.
Trataremos siempre al flujo en canales como un Flujo Turbulento.

FUNDAMENTO TEÓRICO

* Flujo encanales abiertos
El flujo de canales abiertos tiene lugar cuando los líquidos fluyen por la acción de la gravedad y solo están parcialmente envueltos por un contorno sólido. En el flujo de canales abiertos, el líquido que fluye tiene superficie libre y sobre él no actúa otra presión que la debida a su propio peso y a la presión atmosférica. El flujo en canales abiertos también tiene lugar en lanaturaleza, como en ríos, arroyos, etc. De forma artificial, creadas por el hombre, tiene lugar en los canales, acequias y canales de desagüe.

FIGURA N° 1: Aprovechamiento conjunto de los recursos hidráulicos del centro y sureste de España. Canal de Villarejo.

* Número de Froude
El número de Reynolds y los términos laminar y turbulentos no bastan para caracterizar todas las clases de flujoen los canales abiertos.
El mecanismo principal que sostiene flujo en un canal abierto es la fuerza de gravitación. Por ejemplo, la diferencia de altura entre dos embalses hará que el agua fluya a través de un canal que los conecta. El parámetro que representa este efecto gravitacional es el Número de Froude, puede expresarse de forma adimensional. Este es útil en los cálculos del resaltohidráulico, en el diseño de estructuras hidráulicas y en el diseño de barcos. Es la relación entre la fuerza inercial y la fuerza gravitatoria.
Fr2=v2gL
L=parámetro de longitud [m]
v=parámetro de velocidad [m/s]
g= aceleración de la gravedad [m/s²]
En base al número de froude el flujo se clasifica como:
Fr1, Flujo supercrítico o rápido, tiene una velocidad relativamente alta y poca profundidadprevalece la energía cinética. Propios de cauces de gran pendiente o ríos de montaña.

* Energía en canales abiertos
En hidráulica se sabe que la energía total del agua en metros-kilogramos por kilogramos de cualquier línea de corriente que pasa a través de una sección de canal puede expresarse como la altura total en pies de agua, que es igual a la suma de la elevación por encima delnivel de referencia, la altura de presión y la altura de velocidad.
En la fig.2 se observa con respecto al plano de referencia, la altura H de una sección 0 que contiene el punto A en una línea de corriente del fluido de un canal de pendiente alta, puede escribirse como:
H=zA+dAcosφ+VA22g

FIGURA N° 2: Energía en un Canal, Flujo Gradualmente Variado

De acuerdo con el principio de...