INTRODUCCION.El exceso de energía por lo general debe ser disipado de una manera tal como para evitar la erosión en canales abiertos sin o con revestimiento. En este contexto, " el exceso de energía " significa el exceso de velocidad del agua que provoca la erosión y también actúa como limpiador en un canal abierto.

El daño erosivo puede ocurrir incluso a bajas velocidades de flujo cuando el agua provoca turbulencia o remolinos, aunque a un ritmo más lento.

Es por estos motivos que las estructuras de disipación de energía y otras infraestructuras de protección se utilizan en lugares que son propensos a la erosión

TIPOS DE ESTRUCTURA DE DISIPACION DE ENERGIA.

La mayoría de las estructuras de disipación de energía en canales abiertos se basan en:

impacto de frente en un sólido, que cumple la función de obstrucción inamovible.

la creación de un salto hidráulico estableAmbas clases de estructura de disipación de energía puede causar significativa turbulencia, con posterior reducción de la energía hidráulica.

A. DISIPADORES DE ENERGÍA TIPO DE IMPACTO

Las dimensiones de diseño para estructuras de disipación de energía son importantes porque un diseño inadecuado puede empeorar una erosión y /o aumentar el problema.

Se han dado casos en los que la instalación de una estructura de disipación de energía ha causado más erosión que el que se produjo sin ella.

CUENCO AMORTIGUADORES

Tanques de reposo son disipadores de energía externos colocados a la salida de una alcantarilla, chute. Estas cuencas se caracterizan por una combinación de bloques de tobogán, bloques deflectoras, y umbrales diseñados para activar un salto hidráulico en combinación con una condición tailwater requerida. Con el agua de cola es necesario, la velocidad dejando un cuenco amortiguador adecuadamente diseñado es igual a la velocidad en el canal de recepción.

Dependiendo del diseño específico, que operan en un rango de enfoque del flujo de números de Froude desde 1,7 hasta 17.

STILLING BASIN Enfoque mínimoNumero de froude

Enfoque máximoNumero de froude

USBR TYPE III 4.5 17

USBR TYPE IV 2.5 1.5

SAF 1.7 17

EXPANSIÓN Y LA DEPRESIÓN DE CUENCAS STILLING

Cuando mayor será el número de Froude en la entrada de una cuenca, más eficiente es el salto hidráulico y el más corto de la cuenca resultante. El resultado es que la profundidad disminuye y la velocidad y el número de Froude aumento.

 

Fr1 = N° de Froude en la entrada a la cuencaV1 = velocidad de entrar en la cuenca, m / s (ft / s)y1 = profundidad de entrar en la cuenca, m (pies)g = aceleración de la gravedad, m / s2 (ft / s2)

Para resolver para la velocidad y la profundidad de entrar en la cuenca, el balance de energía está escrito desde la salida de la alcantarilla a la cuenca. Sustituyendo Q / (y1*WB) para V1 y despejando resultados Q en:

Donde,WB = ancho de la cuenca, m / s (ft / s)Vo = velocidad de salida de la alcantarilla, m / s (ft / s)y1 = profundidad de entrar en la cuenca, m (pies)yo = profundidad de salida de la alcantarilla, m (pies)Z1 = elevación del terreno en la entrada cuenca, m (pies)Zo = elevación del terreno en la salida de la alcantarilla, m (pies)

𝑦 2=𝐶 𝑦12

(√1+8𝐹𝑟12−1)

Y2 = profundidad conjugada, m (pies)y1 = profundidad acercarse el salto, m (pies)C = relación entre la salida del agua a la profundidad conjugada, TW / y2Fr1 = Número de enfoque Froude

ESTRUCTURAS DE CAÍDA

Estructuras de caída se utilizan comúnmente para el control de flujo y la disipación de energía. Cambio de la pendiente del canal de empinada a leve, mediante la colocación de estructuras de caída a intervalos a lo largo del alcance de canal, cambia una pendiente pronunciada continua en una serie de suaves pendientes y desniveles.

 Flujo geometría de un aliviadero gota

El número de estación da una medida cuantitativa para soltar

Donde,Nd = número de estaciónq = unidad de descarga, m3 / s / m (ft3 / s / ft)g = aceleración de la gravedad, 9,81 m / s2 (32,2 pies / s2)ho = altura de caída, m (pies)

Otra medida cuantitativa comúnmente usado para la gota está dada por:

Donde,Dr = caída relativayc = profundidad crítica en la caída, m (pies)ho = altura de caída, m (pies

DISEÑO PARRILLA

Una rejilla o una serie de carriles que forman un "Grizzly" pueden ser utilizadas en conjunción con estructuras de caída, como se ilustra en la figura 11.2. El flujo de entrada se divide en un número de chorros medida que pasa a través de la rejilla. Estos caen casi verticalmente al canal aguas abajo, como resultado una buena acción de disipador de energía.

La longitud de la rejilla se calcula a partir de:

C = coeficiente experimental igual a 0,245W = anchura de las ranuras, m (ft)N = número de slots (espacios) entre las vigasyo = profundidad de contraflujo, m (pies)

B. SALTO HIDRÁULICO

El salto hidráulico es un fenómeno natural que se reduce cuando el flujo supercrítico se ve obligado a cambiar a flujo subcrítico por una obstrucción al flujo, este cambio abrupto en la condición de flujo está acompañado por una considerable turbulencia y la pérdida de energía.

TIPOS DE SALTO HIDRÁULICO

Cuando el número de Froude aguas arriba, Fr, es 1.0, el flujo es crítico y en un salto no se puede formar. Para los números de Froude mayor que 1.0, pero menos de 1.7, el flujo aguas arriba es sólo ligeramente por debajo de la profundidad crítica y el cambio de flujo supercrítico a subcrítico se traducirá en sólo una ligera perturbación de la superficie del agua.

En el extremo superior de este rango, el Fr se acerca a 1.7, la profundidad aguas abajo será aproximadamente el doble de la profundidad de entrada y la velocidad de salida de la mitad de la velocidad de la corriente.

SALTO HIDRÁULICO EN CANALES HORIZONTALES

La sección de control 1 es antes del salto, donde el flujo es sin perturbaciones, y la sección de control 2 es después del salto, donde el flujo de agua es paralelo al fondo para ser tomado de nuevo como sección de control. La distribución de la presión en ambas secciones se supone hidrostática.

El cambio en el momento de la corriente que entra y que sale es equilibrado por la resultante de las fuerzas que actúan sobre el volumen de control, es decir, la presión y las fuerzas de fricción de contorno. Dado que la longitud del salto es relativamente corta, las pérdidas de energía externas (fuerzas de fricción de contorno) pueden ser ignorados sin introducir error grave.

Definición de una cantidad impulso a medida,

M = Q2 / (GA) + AY y reconociendo que el momento se conserva a través de un salto hidráulico.

Q2 / (gA1) + A1Y1 = Q2 / (gA2) + A2Y2

Donde,

Q = caudal de canal, m3 / s (ft3 / s)

A1, A2 = zonas de flujo transversal en las secciones 1 y 2 m2 (ft2)

Y1, Y2 = profundidad desde la superficie del agua al centroide de área de sección transversal, m (ft)

K2 A2 y2 / (A1 y1) - K1 = Fr12 (1 - A1 /A2) 6.2

Esta es una expresión general para el salto hidráulico en un canal horizontal. Las constantes K1 y K2 y

la relación A1 / A2 se han determinado para canales en forma rectangular, triangular, parabólicas,

circulares, trapezoidales por Sylvester (1964)

CANALES RECTANGULARES

Para un canal rectangular, sustituyendo K1 = K2 = 1/2 y A1 / A2 = y1 / y2, la expresión se convierte en:

y22 / Y1

2 -1 = 2Fr12 (1 - y1 / y2)

Si y2 / y1 = J, la expresión para un salto hidráulico en un canal horizontal, rectangular se convierte

La longitud del salto hidráulico puede determinarse a partir de la Figura. La longitud del salto se mide a la sección aguas abajo en la que la superficie media de agua alcanza la profundidad máxima y se convierte en razonable nivel.

CANALES CIRCULARES

Canales circulares se dividen en dos casos: cuando y2 es mayor que el diámetro, D donde y2 es menor que D.

Para y2 menos de D

Para y2 mayor o igual a D:

C y K son funciones de y/D y pueden ser evaluados de la Tabla.

Y/D 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

K 0.410 0.413 0.416 0.419 0.424 0.432 0.445 0.462 0.473 0.500

C 0.041 0.112 0.198 0.293 0.393 0.494 0.587 0.674 0.745 0.748

C’ 0.600 0.800 0.917 0.980 1.000 0.980 0.917 0.800 0.600  

SALTO DE EFICIENCIA

Una expresión general para la pérdida de energía (HL/H1) en cualquier canal de forma es:

Donde,

Frm = número de Froude aguas arriba en la sección 1, FRm2 = V2 / (gym)

ym = profundidad hidráulico, m (ft)

SALTO HIDRAULICO EN LOS CANALES EN PENDIENTE

Canales inclinados se discuten en esta sección. Si se selecciona el fondo del canal como un dato, la

ecuación de momento se convierte en:

= peso unitario del agua, N / m3 (lb / ft3)

= ángulo de canal con la horizontal

B = anchura inferior del canal (canal rectangular), m (ft)

w = peso del agua en volumen de control de salto, N (lb)

La ecuación de momento utilizado para los canales horizontales no puede ser aplicada directamente a saltos hidráulicos a canales en pendiente ya que el peso del agua dentro del salto debe ser considerado.

DISIPADORES INTERNOS

Elementos de rugosidad son a veces una manera conveniente de controlar velocidades de salida para instalaciones de alcantarilla donde la alcantarilla no se utiliza a la capacidad, ya que está funcionando en el control de entrada. Estos elementos de rugosidad pueden ser diseñados para ralentizar la velocidad en la alcantarilla incluyendo, en el límite, la creación de una condición de flujo de volteo, donde la velocidad de salida se reduce a la velocidad crítica. Tales elementos de rugosidad internos pueden ser colocados a lo largo de toda la longitud de la alcantarilla o conducto, o simplemente cerca del final antes de la toma de corriente, dependiendo de las condiciones hidráulicas y condiciones de salida deseadas

TUMBLING FLUJO

Se trata esencialmente de una serie de saltos hidráulicos que mantienen las trayectorias de flujo predominantes en la velocidad de aproximadamente crítico incluso en pendientes que de otro modo se caracterizan por altas velocidades supercríticas

Este es quizás injustificado como el elemento aumenta la capacidad de transporte de sedimentos y tiende a ser auto-limpieza

Bosquejo definición para Tumbling Flow en una alcantarilla

TUMBLING FLUJO EN EL RECUADRO ALCANTARILLAS/CANALONES

Canaletas de drenaje en la carretera de corte y relleno pendientes son sitios candidatos para los elementos de rugosidad disipadores de energía. El uso de elementos de rugosidad es razonable para pendientes de hasta 10 o 15 por ciento

 

Donde:

Altura critica m (ft)

Caudal unitario (Q/B) m (ft)

San Antonio de la Universidad de Minnesota (Blaisdell)Aplicable Número de Froude Rangos para tanques de reposo

EJEMPLO DE APLICACIÓN

Se proyecta un vertedero superficial para una descarga máxima Q = 576m3/s. se desea realizar el diseño hidráulico de un pozo amortiguador al pie de una rápida rectangular con régimen uniforme de 60m de ancho que tiene una salida a un canal trapezoidal de 80m de plato y talud de 1:2 mediante una transición brusca. El tirante medio al final de la rápida Y1 y el tirante en el canal de salida Y3

Y1=0.8m

Y3=3.6m

De acuerdo de la curva superficial se sabe que el valor del tirante al final de la rapida Y3 y el tirante a la entrada Y1, con esto se procede a calcular el tirante conjugado Y2.

CALCULOS

PASO 1. Calculo del tirante conjugado Y2

V1=Q/(b*Y1) 576/(60*0.8)= 0.12m/s

Fr1=V1/(g*Y1)^0.5 12/(9.81*0.8)^0.5=4.28

Y2=Y1((8Fr1+1)^0.5 -1)/2 Y2=4.46m

PASO 2. Se compara Y2 con Y3 para valorar si es necesario o no en uso del pozo

Si Y2< Y3 no se requiere pozo Si Y2>Y3 si requiere pozo

Entonces Y2=4.46>Y3=3.6… SI REQUIERE POZO

PASO3. Calculo de la altura del escalón del pozo (hp) Como se conoce del problema que al final de la rápida se alcanza el régimen uniforme entonces se procede directamente a calcular la profundidad del escalon, pues el tirante Y1 se mantendrá constante:

Donde

Con los datos obtenidos procedemos a encontrar hp

PASO 4. Calculo de la longitud del pozo () y de la longitud de la ribesma ()

Con Fr1=4.28 con estos datos en la figura 2.6 relación adimensional para la longitud del resalto hidráulico.

La longitud del pozo:

La longitud de la ribesma