Resaltos hidráulicos

RESALTOS HIDRAULICOS

Uno de los aspectos que generalmente merece especial atención en el diseño de obras hidráulicas de montaña es la disipación de la energía cinética que adquiere un chorro líquido por el incremento de la velocidad de flujo. Esta situación se presenta en vertederos de excedencias, estructuras de caída, desfogues de fondo, bocatomas, salidas de alcantarillas, etc.
Ladisipación de la energía cinética puede lograrse aplicando diferentes medidas, a saber: generación de resalto hidráulico, impacto o incremento de la rugosidad.
En 1818, el italiano Bidone realizo las primeras investigaciones experimentales del resalto hidráulico. Esto llevó a Bélanger en 1928 a diferenciar entre las pendientes suaves (subcríticas) y las empinadas (supercríticas), debido a que observo queen canales empinados a menudo se producían resaltos hidráulicos generados por barreras en el flujo uniforme original.
En un principio, la teoría del resalto desarrollada corresponde a canales horizontales o ligeramente inclinados en los que el peso del agua dentro del resalto tiene muy poco efecto sobre su comportamiento y, por consiguiente, no se considera en el análisis. Sin embargo losresultados obtenidos de este modo pueden aplicarse a la mayor parte de los canales encontrados en problemas de ingeniería. Para canales con pendiente alta el efecto del peso del agua dentro del resalto puede ser tan significativo que debe incluirse en el análisis.

Generación del resalto hidráulico

Cuando el flujo es supercrítico las perturbaciones no pueden desplazarse aguas arriba. Si lascondiciones existentes aguas abajo hacen que un flujo supercrítico pase a subcrítico, como el cambio no puede transmitirse aguas arriba para que haya un proceso de cambio gradual a través del punto crítico, se produce una transición de forma brusca, pasando el flujo directamente de supercrítico a subcrítico.

El resalto hidráulico es el ascenso brusco del nivel del agua que se presenta en un canalabierto a consecuencia del retardo que sufre una corriente de agua que fluye a elevada velocidad y pasa a una zona de baja velocidad.

Este fenómeno presenta un estado de fuerzas en equilibrio, en el que tiene lugar un cambio violento del régimen de flujo, de supercrítico a subcrítico.

Volumen de control en el resalto hidráulico, fuerzas hidrostáticas (Fh) y
fuerzas dinámicas (Fd).
En lasección 1, actúan las fuerzas hidrostática F1h y dinámica F1d; en forma similar pero en sentido contrario en la sección 2, F2h y F2d. En ambas secciones la sumatoria de fuerzas da como resultado F1 y F2 respectivamente. En el estado de equilibrio, ambas fuerzas tienen la misma magnitud pero dirección contraria (la fuerza F1h es menor a F2h, inversamente F1d es mayor a F2d). Debido a la posición de lasfuerzas resultantes, ambas están espaciadas una distancia d, lo cual genera un par de fuerzas de la misma magnitud pero de sentido contrario. En razón a la condición de líquido, las partículas que la componen adquirirán la tendencia de fluir en la dirección de las fuerzas predominantes, presentándose la mezcla del agua con líneas de flujo superficiales moviéndose en sentido contrario a la direcciónde flujo y de manera inversa en la zona cercana a la solera. El repentino encuentro entre las masas de líquido y el inevitable choque entre partículas, provocan la generación de un medio líquido de gran turbulencia que da lugar a la absorción de aire de la atmósfera, dando como resultado un medio mezcla agua-aire.
Para un metro de ancho de un canal, se considera el escurrimiento de una masa defluido por unidad de tiempo.
(5.1)
El impulso total se expresará
(5.2)
El que deberá estar en equilibrio con la fuerza resultante:
(5.3)
El impulso se expresa ahora
(5.4)
Considerando la ecuación de continuidad
(5.5)
y eliminado q y v2 se obtiene:
(5.6)
(5.7)
(5.8)
Resultando el tirante conjugado (aguas abajo del resalto):
(5.9)
(5.10)
Con ayuda de la expresión del número de...