16.- FLUJO VARIADO

8/18/2019 16.- FLUJO VARIADO

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Curso: Hidráulica General

1

Profesor:Profesor: Carlos GarridoCarlos Garrido StappungStappung

Ing. Civil Ms. HidrologíaIng. Civil Ms. Hidrología

Escuela de Construcción CivilFacultad de Ingeniería

Santiago, año 2010Santiago, año 2010

CONDUCCIONES ENCONDUCCIONES EN

FLUJO LIBREFLUJO LIBRE

Curso:Curso:

Hidráulica GeneralHidráulica General

CanalCanal de Corintode CorintoGreciaGrecia


2

Referencia

Aguas Abajo

Aguas Arriba

Corresponde al escurrimiento que tiende a producirse

cuando el canal presenta variaciones en su trazado.

La profundidad de flujo cambia a lo largo del canal.

El Flujo Variado puede ser permanente o no

permanente.

El Flujo Variado puede clasificarse además comoRápidamenteRápidamente VariadoVariado oo GradualmenteGradualmente VariadoVariado.

Flujo VariadoFlujo Variado


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Referencia

Aguas Arriba

LaLa EnergíaEnergía dede CanalesCanales

Dado un canal que escurre en régimen permanente y con flujo uniforme:

y1

y2

z1 z2

Planteando Bernoullí entre las dos secciones de escurrimiento definidas por y1 e y2

B1 = B2 + Pérdidas (Fricción + Locales)

⇒

g

v y z B 2

2

1

111 ++=

g

v y z B2

2

2

222 ++=

Para condiciones de régimen permanente y flujo uniforme, la pérdida de energíacorresponde sólo a pérdidas de energía potencial, luego se tiene que:

Ω = Pérdidas de Energía = z1 – z2


4

ΩΩV12/2g

V22/2g

1

2


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Referencia

Aguas Abajo

Aguas Arriba

Angostamiento brusco de un canal rectangular

Al utilizar la ecuación de energía se puede demostrar que al disminuir el ancho:

El río de deprime

El torrente se peralta

Una disminución severa del ancho tendería a producir escurrimiento crítico.

Variaciones del fondo del canal (gradas)

Se debe plantear la conservación de la energía usando la ecuación:

E1 = E2 + a para gradas de subida

E1 + a = E2 para gradas de bajada

Donde a es la altura de la grada. Es posible demostrar el siguiente resultado:

Para gradas de subida:

El torrente se peralta

El río se deprime

Si la grada es suficientemente alta, el río puede pasar a torrente

Para gradas de bajada:

El torrente se deprime

El río se peralta

6

Referencia

Aguas Abajo

Aguas Arriba


Escurrimiento RíoDepende de Aguas Abajo


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Referencia

Aguas Abajo

Aguas Arriba


Escurrimiento Torrente

Depende de Aguas Arriba


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Referencia

Aguas Abajo

Aguas Arriba

Corresponde al flujo que se produce cuando hay una

irregularidad, como una compuerta o un vertedero.

En el FRV la profundidad del agua cambia de manera

abrupta en distancias comparativamente cortas; de otro

modo es gradualmente variado.

Un flujo rápidamente variado también se conoce como

fenómeno local; algunos ejemplos son el resalto

hidráulico y la caída hidráulica.

Flujo Rápidamente Variado (FRV)Flujo Rápidamente Variado (FRV)


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Evacuador deEvacuador deCrecidas.Crecidas.

Embalse PuclaroEmbalse PuclaroIV Región ChileIV Región Chile


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Referencia

Aguas Abajo

Aguas Arriba

En general la ecuación que gobierna el FRV es

del tipo:

Donde Cc es un coeficiente particular para cada caso.

Un caso especial de FGV corresponde al

resalto hidráulico que consiste en una

singularidad o alteración del eje hidráulico

gh ACcQ 2**=


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Por Ejemplo: Orificios

Cálculo del Caudal Teórico deSalida de un Orificio

Pared Delgada

Pared Gruesa


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Referencia

Aguas Abajo

Aguas Arriba

Un caso especial de FGV

corresponde al resalto hidráulicoresalto hidráulico

que consiste en una singularidad o

alteración del eje hidráulico

Resalto HidráulicoResalto Hidráulico

Para canal

Rectangular


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Aplicaciones de Resalto Hidráulico Aplicaciones de Resalto Hidráulico

Ejercicio de Resalto HidráulicoEjercicio de Resalto Hidráulico

En un canal rectangular, de pendiente suave, de 4m de ancho se coloca una

compuerta que origina una vena de descarga de 60cm (Y2). El agua se represa

aguas arriba de ella hasta una altura de 1.8m (Y1). Despreciando las pérdidas de

energía, se pide calcular:

a) El caudal que transporta el canal.

b) La altura conjugada del río Yr del resalto (altura del resalto).


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Despreciando las pérdidas, se tiene que E1 = E2

g

vY E

2

2

+=

Entonces:

g

vY

g

vY

22

21

2

2

2

1 +=+

smQ

QY

Q

g Y

QY

g Y

QY

e/35.12

6.19

1

6.042

6.19

1

8.148.1

2

1

242

2

1

141

22

22

=

×

×+=×

×+

×

×+=×

×+

pero v = Q/A

Por lo tanto el caudal que trasporta el canal es de 12.35 m3/s

( )1812

2 2 −×+×= Fr Y

Yr Dh g

v Fr

×=

A

Qv =

5.428.9

146.5

2

22

22

22

=×

=

××

=

×

=

Y Fr

b

Y b g

v Fr

T

A g

v Fr

( ) 52.115.48126.0 2

=−×+×=Yr

smv /146.56.04

35.12=

×=

b) La altura conjugada del resalto, suponiendo que el resalto comienza

justo en la contracción, es decir Y2 = 0.6m, está determinada por.

Entonces:

Finalmente:

Por lo tanto, la altura del resalto es Yr = 1.52m


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En el canal rectangular de la figura, se produce un resalto hidráulico entre las

secciones 1 y 2. Con los datos proporcionados y suponiendo flujo sin

rozamiento, calcúlese:

1.- Profundidad del agua en las secciones 2 y 3.

2.- ¿Que profundidades se tendrían en dichas secciones si no hubiese

resalto?.

3.- Represéntese en ambos casos el diagrama profundidad – energía

especifica.

Ejercicio


20

En la figura Nº1 se muestra el perfil longitudinal del fondo de un evacuador de

crecidas de una represa.

La sección Nº1 corresponde al espejo de agua de un embalse de gran tamaño.En la sección Nº2 se ubican las compuertas del evacuador. Bajo estas

compuertas, ocurre crisis y al medir la altura de agua que se produce, esta es de

3m.

En la sección Nº3 el escurrimiento es tal que el número de Froude es menor que 1

y el gráfico velocidad v/s energía es el siguiente:

La altura de agua en la sección Nº4 es de 6 m.

En la sección Nº5 ocurre escurrimiento uniforme, con valores del

coeficiente de manning = 0,014, pendiente = 0,0009 y un angulo

“θ” = 3,81 radianes.


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21

1

21 3

5

15

4

5

0,000

η0,014

2 3 4

θ 3,1

1


22

1. ¿Qué singularidad hidráulica

se aprecia?

2. ¿A qué a tipo de flujo

corresponde?

3. Indique que ocurre con la

energía.

4. Indique a lo menos otras tres

situaciones en las que se podría

presentar este tipo de flujo.

5. Según lo visto en clases,

señale a lo menos dos obras

hidráulicas presentes en la

fotografía.


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Referencia

Aguas Abajo

Aguas Arriba

En régimen subcrítico (Río, Fr < 1) la condiciones de borde están dadas aguasabajo y el escurrimiento tiende a flujo uniforme hacia aguas arriba.

En régimen supercrítico (Torrente, Fr > 1) la condiciones de borde están dadas

aguas arriba y el escurrimiento tiende a flujo uniforme hacia aguas abajo.

Bajo condiciones de régimen subcrítico la velocidad de escurrimiento es menor

que en régimen supercrítico. Por esa razón la mayoría de los canales se

deben diseñar para funcionan en régimen subcrítico.

Analizando el FGV puede demostrarse que existe una combinación limitada de

perf iles hidráulicos que pueden producirse. La solución de la ecuación del

FGV y por consiguiente el cálculo de ejes hidráulicos consiste en combinar los

perfiles de FGV adecuados que permiten conectar las singularidades que se

producen en el canal.

El cálculo se puede realizar por diferentes métodos usando software como

Hcanales o Hec Ras, pero es inútil intentarlo si no se entienden las condiciones

que gobiernan el escurrimientoaguas abajo.

ConceptosConceptos


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Referencia

Aguas Abajo

Aguas Arriba

Tienen la función de conducir el agua desde la captación hasta el campo opredio donde será aplicado a los cultivos. Son obras de ingeniería importantes,

que deben ser cuidadosamente definidas y diseñadas para no provocar daños

al ambiente y para optimizar los recursos hídricos disponibles.

CanalesCanales dede RegadíoRegadío

Están estrechamente vinculados

a las características del terreno,

generalmente siguen

aproximadamente las curvas de

nivel de este, descendiendo

suavemente hacia cotas más

bajas (otorgándole una pendiente

descendente, para que el agua

fluya más rápidamente y se gaste

menos líquido).

Canal Secundario, Sistema FajaCanal Secundario, Sistema Faja MaisanMaisan. IX Región. IX Región


26

Referencia

Aguas Abajo

Aguas Arriba

Las dimensiones de los

canales de riego son muy

variadas, y van desde

grandes canales para

transportar varias decenas

de m3/s, los llamados

canales principales o

matrices, hasta pequeños

canales con capacidad para

unos pocos l/s, son losllamados canales

secundarios, terciarios e

intraprediales.

Construcción Canal MatrizConstrucción Canal MatrizSistema FajaSistema Faja MaisanMaisan. IX Región. IX Región


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Referencia

Aguas Abajo

Aguas Arriba

Sistema LajaSistema Laja--Diguillín VIII Región, ChileDiguillín VIII Región, Chile

Río Diguillín

CHILLÁN

LAGUNADEL LAJA

Río LAJA

Río Huepil

CHILLAN VIEJOPINTO

SAN IGNACIO

EL CARMEN

BULNES

PEMUCO

YUNGAY TOTAL49.300 Ha

CanalLaja-Diguillín

(40 m3/s)

CanalLaja-Diguillín

(40 m3/s)

CanalDiguillín-Larqui

(38 m3/s)

BocatomaTucapel

BocatomaHuepil

BocatomaDiguillín

NCaracterísticas del ProyectoCaracterísticas del Proyecto

74 km. de canales matrices:

(40 m3/s de capacidad)

200 km. de canales derivados

secundarios y terciarios.

Obras de arte asociadas.

Inversión aprox. MMUS$160


28

CANALES REVESTIDOSCANALES REVESTIDOS

•• SUELOSUELO--CEMENTOCEMENTO

•• MEMBRANAS PLASTICASMEMBRANAS PLASTICAS

•• MEZCLAS ASFÁLTICASMEZCLAS ASFÁLTICAS

•• HORMIGÓNHORMIGÓN••SHOTCRETESHOTCRETE

•• MAMPOSTERÍAMAMPOSTERÍA


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CANALES SIN REVESTIRCANALES SIN REVESTIRINCONVENIETESINCONVENIETES

PERDIDAS DE AGUAPERDIDAS DE AGUA

EROCIÓN DE LA SECCIÓNEROCIÓN DE LA SECCIÓN

PROLIFERACIÓN DE MALEZASPROLIFERACIÓN DE MALEZAS

ALTOS COSTOS DE MANTENCIÓNALTOS COSTOS DE MANTENCIÓN

OBRA DE ARTE COSTOSASOBRA DE ARTE COSTOSAS


30

CANALES SIN REVESTIRCANALES SIN REVESTIR

PRECAUCIONESPRECAUCIONES

VELOCIDAD ADECUADAVELOCIDAD ADECUADA

EXCAVACIÓN PRECISAEXCAVACIÓN PRECISA

ESTABILIZACIÓN DEL SUELOESTABILIZACIÓN DEL SUELO

EVITAR LA MALEZAEVITAR LA MALEZA


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31


32


17/24

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33


34

Túnel de desvíoTúnel de desvíode un embalsede un embalse


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ConceptosConceptos

Las pendientes de fondopendientes de fondo de canal varíanen el recorrido, ya que de una u otra

manera se deben ajustar a la topografía

del terreno.

Las velocidadesvelocidades pueden generar erosiónerosióncuando son muy altas o sedimentaciónsedimentación

cuando son muy bajas


36

Erosión:Fenómeno de desgaste y/o desplome del radier y paredes del

canal, producto de la fricción por la velocidad y turbulencia del

agua. El fenómeno de erosión implica una modificación de la

sección original de la obra, por ende, genera un cambio en el

comportamiento hidráulico del escurrimiento (cambio en el eje

hidráulico y alturas de agua).

Sedimentación:Proceso en el cual el material sólido y fino, transportado por

una corriente de agua, se deposita y acumula en el fondo del

canal. Este fenómeno implica una modificación de la secciónoriginal de la obra, por ende, genera un cambio en el

comportamiento hidráulico del escurrimiento (cambio en el eje

hidráulico y alturas de agua).


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Referencia

Aguas Abajo

Aguas Arriba

A lo largo de un canal se sitúan muchas y variadas estructuras, llamadas

"obras de arte", estas son, entre otras:

Obras de Derivación, se usan para derivar el agua (utilizando marcos

partidores), desde un canal principal a uno secundario, o de este último

hacia un canal terciario.

Generalmente se construyen en hormigón, o en mampostería de piedra, y

están equipadas con compuertas, algunas simples, manuales, y otras que

pueden llegar a ser sofisticadas (manejadas a control remoto).

Controles de Nivel, muchas veces asociadas a las obras de derivación, son

destinadas a mantener siempre, en el canal, el nivel de agua dentro de un

cierto rango y, especialmente en los puntos terminales, con una inclinación

descendente.

ComponentesComponentes dede unun CanalCanal


38

Referencia

Aguas Abajo

Aguas Arriba

Secciones de Aforo,

destinadas a medir la cantidad de agua que entra en un

determinado canal.

Existen diversos tipos de secciones de aforo, algunas

muy sencillas, constan de una regla graduada que es

leída por el operador a intervalos pre establecidos, hasta

sistemas complejos, asociados con compuertas

autorregulables, que registran el caudal en forma

continua y lo trasmiten a la central de operacióncomputerizada.


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Referencia

Aguas Abajo

Aguas Arriba

Obras de Cruce del canal de riego con otras

infraestructuras existentes en el terreno, pertenecientes

o no al sistema de riego.

Estas a su vez pueden ser de:

Cruce de canal de riego con un canal de drenaje

del mismo sistema de riego;

Cruce de un dren natural, con el canal de riego, a

una cota mayor que este último;

Cruce de canal de riego con una quebrada, o

valle;

Cruce de canal de riego con una vía o camino.


40

Referencia

Aguas Abajo

Aguas Arriba

Vertedero de la PresaVertedero de la Presa FaradayFaraday en el Río Clackamas.en el Río Clackamas.Oregón EEUU.Oregón EEUU.


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Evacuador deEvacuador deCrecidas.Crecidas.

Embalse PuclaroEmbalse PuclaroIV Región ChileIV Región Chile


Vista área de Sifón, canal LajaVista área de Sifón, canal Laja--DiguillínDiguillín..VIII Región ChileVIII Región Chile


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Los SifonesSifones permiten cruzar cauces, caminos,

quebradas, etc.

Su diseño depende del caudal, las cargas, característicastopográficas de terreno y suelo de fundación.

Los materiales dependerán principalmente de la magnitud de la

obra (del caudal de diseño, velocidad, longitud).

Por ejemplo: Hormigón In Situ, Hormigón Prefabricado,

materiales plásticos (PVC, HDP), etc.

río


Con la información topográfica de las curvas de nivel

y el perfil del terreno en el sitio de la obra, se traza el

sifón y procede a diseñar la forma y secciones de la

sección del conducto más económica y conveniente,

tomando en cuenta las “pérdidas de carga que han“pérdidas de carga que han

de presentarse”.de presentarse”.

El sifón funciona por diferencias de cargas, esta

diferencia de cargas debe absorber todas las

pérdidas en el sifón.

La diferencia de carga ∆Z debe ser mayor que las

perdidas totales.


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Referencia

Aguas Abajo

Aguas Arriba

Bocatoma de un Canal de RiegoBocatoma de un Canal de Riego

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Referencia

Aguas Abajo

Aguas Arriba

Una BocatomaBocatoma es una obra civil destinada a

extraer un cierto caudal de agua de una fuente

o cauce (estero, río, embalse, lago, etc).

Normalmente cuando se capta desde un

estero o río, la bocatoma es superficialsuperficial, en

cambio cuando se capta desde un embalse olago, la captación será profundaprofunda.



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Compuertas de una Bocatoma de un CanalCompuertas de una Bocatoma de un Canal

Embalse la LagunaEmbalse la LagunaValle del Elqui, IV RegiónValle del Elqui, IV Región

Obra deObra deTomaToma

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