Generalidades hidraulica

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1.1. Generalidades (geometría de canales, Distribución de velocidades y presiones) Geometría de canales Un canal construido con una sección transversal invariable y una pendiente de fondo constante se conoce como canal prismático. Las secciones de canales naturales son, por lo general, muy irregulares, y a menudo varían desde aproximadamente una parábola hasta aproximadamente un trapecio. Para corrientes sujetas a crecientes frecuentemente, el canal puede constar de una sección principal del canal que conduce los caudales normales y una o más secciones laterales de canal para acomodar los caudales de desborde. Los canales artificiales a menudo se diseñan de figuras geométricas regulares. El trapecio es la forma más común para canales con bancas en tierra sin recubrimiento, debido a que proveen las pendientes necesarias para estabilidad. El rectangular y el triángulo son casos especiales del trapecio. Debido a que el rectángulo tiene lados verticales, por lo general se utiliza para canales construidos con materiales estables, como mampostería, roca, metal, o madera etc. La sección triangular solo se utiliza para pequeñas acequias, cunetas a lo largo de carreteras y trabajos de laboratorio. El círculo es la sección más común para alcantarillados y alcantarillas de tamaños pequeños y medianos. La parábola se utiliza como una aproximación a secciones de canales naturales de tamaño pequeño y mediano.

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hidraulica de canales

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1.1. Generalidades (geometría de canales, Distribución de velocidades y presiones)

Geometría de canales

Un canal construido con una sección transversal invariable y una pendiente de fondo constante se conoce como canal prismático.

Las secciones de canales naturales son, por lo general, muy irregulares, y a menudo varían desde aproximadamente una parábola hasta aproximadamente un trapecio. Para corrientes sujetas a crecientes frecuentemente, el canal puede constar de una sección principal del canal que conduce los caudales normales y una o más secciones laterales de canal para acomodar los caudales de desborde.

Los canales artificiales a menudo se diseñan de figuras geométricas regulares. El trapecio es la forma más común para canales con bancas en tierra sin recubrimiento, debido a que proveen las pendientes necesarias para estabilidad. El rectangular y el triángulo son casos especiales del trapecio. Debido a que el rectángulo tiene lados verticales, por lo general se utiliza para canales construidos con materiales estables, como mampostería, roca, metal, o madera etc. La sección triangular solo se utiliza para pequeñas acequias, cunetas a lo largo de carreteras y trabajos de laboratorio. El círculo es la sección más común para alcantarillados y alcantarillas de tamaños pequeños y medianos. La parábola se utiliza como una aproximación a secciones de canales naturales de tamaño pequeño y mediano.

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Distribución de velocidades

Debido a la presencia de la superficie libre y a la fricción a lo largo de las paredes del canal, las velocidades en un canal no están uniformemente distribuida en su sección. La máxima velocidad medida en canales normales a menudo ocurre por debajo de la superficie a una distancia de 0.05 a 0.25 de la profundidad; cuanto más cerca de las bancas, más profundo se encuentre este máximo.

Distribución de velocidades en un canal rectangular.

La distribución de velocidades en una sección de canal depende también de otros factores, como una forma inusual de la sección, la rugosidad del canal y la presencia de curvas. En una corriente ancha, rápida y poco profunda o en un canal muy liso, la velocidad máxima por lo general se encuentra en la superficie libre. La rugosidad del canal causa un incremento en la curvatura de la curva de distribución vertical de velocidades.

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Distribución de presiones

La presión en cualquier punto de la sección transversal del flujo en un canal con pendiente baja puede medirse por medio de la altura de la columna de agua en un tubo piezómetro instalado en el punto. Al no considerar las pequeñas perturbaciones debidas a la turbulencias, etc., Es claro que el agua en esta columna debe subir desde el punto de medición hasta la línea de gradiente hidráulico o superficie del agua. Por consiguiente, la presión en cualquier punto de la sección es directamente proporcional a la profundidad del flujo por debajo de la superficie libre e igual a la presión hidrostática correspondiente a esta profundidad. En otras palabras la distribución de presiones a lo largo de la sección transversal del canal es igual a la distribución hidrostática de presiones; es decir, la distribución es lineal y puede representarse como una línea recta AB. Esto se conoce como ley hidrostática de distribución de presiones.

Distribución de presiones en canales rectos y curvos con pendientes bajas u horizontales en la sección bajo consideraciones; h = altura piezometrica; hs = altura hidrostática; y c = corrección de altura de presión por curvatura. (a) Flujo paralelo; (b) Flujo convexo; (c) flujo cóncavo.

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1.2. Características del flujo uniforme

Se considera que el flujo uniforme tiene las siguientes características principales:

1) La profundidad, el área mojada, la velocidad y el caudal en cada sección del canal son constantes y,

2) La línea de energía, la superficie del agua y el fondo del canal son paralelos; es decir, sus pendientes son todas iguales, o Sf = Sw = So = S.

Para propósitos prácticos, el requerimiento de una velocidad constante puede interpretarse libremente como el requerimiento de que el flujo posea una velocidad media constante. Sin embargo, en rigor, esto significaría que el flujo posee una velocidad constante en cada punto de la sección del canal dentro del tramo del flujo uniforme. Se considera que el flujo uniforme es solo permanente, debido a que el flujo uniforme no permanente prácticamente no existe.

En el flujo permanente en canales pueden presentarse dos tipos de escurrimiento, a saber: uniforme y no uniforme.

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1.3. Establecimiento de flujo uniforme

Cuando el flujo ocurre en un canal abierto, el agua encuentra resistencia a medida que fluyen aguas abajo. Esta resistencia por lo general es contrarrestada por las componentes de fuerzas gravitacionales que actúan sobre el cuerpo de agua en la dirección del movimiento. Un flujo uniforme se desarrollara si la resistencia se balancea con las fuerzas gravitacionales. La magnitud de la resistencia, cuando otros factores físicos del canal se mantienen constante, depende de la velocidad de flujo. Si el agua entra al canal con lentitud, la velocidad y, por consiguiente, la resistencia son pequeñas, y la resistencia es sobrepasada por las fuerzas de gravedad, dando como resultado una aceleración de flujo en el tramo de aguas arriba. La velocidad y la resistencia se incrementaran de manera gradual hasta que se alcance un balance entre las fuerzas de resistencia y de gravedad. A partir de este momento, y de ahí en adelante, el flujo se vuelve uniforme. El tramo de agua arriba que se requiere para el establecimiento del flujo uniforme se conoce como zona transitorio. En esta zona el flujo es acelerado y variado. Si el canal es más corto que la longitud transitoria requerida para las condiciones dadas, no puede obtenerse flujo uniforme. Hacia el extremo de aguas abajo del canal la resistencia puede ser excedida de nuevo para las fuerzas gravitacionales y el flujo nuevamente se vuelve variado.

La profundidad del flujo uniforme se conoce como profundidad normal. En todas las figuras la línea de trazos largos representa la línea de profundidad normal, (L.P.N) y la línea de trazos cortos representa la línea de profundidad critica (L.P.C).

La longitud de la zona transitoria depende del caudal y de las condiciones físicas del canal, como la condicione de entrada, la forma, la pendiente y la rugosidad. Desde un punto de vista hidrodinámico, la longitud de la zona transición no debería ser menor que la longitud requerida para el desarrollo completo de la capa limite bajo las condiciones dadas.

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Establecimiento de flujo uniforme en un canal largo.

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Bibliografía:

Gardea, H. (1999). Hidráulica de canales. México: fundación ICA.

Rodríguez, P. (2008). Hidráulica de canales II. Oaxaca:

Chow, V. (1994). Hidráulica de canales abiertos. Colombia: McGraw-Hill.