Informe Semestral Fluidos II

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Universidad Nacional de San Crist obal de Huamanga Facultad de Ingenier a Minas, Geolog a y Civil Escuela de Formaci on Profesional de Ingeniera Civil CURSO MECANICA DE FLUIDOS II AVANCE DEL INFORME SEMESTRAL TEMA:DISIPADORES DE ENERG IA EN CANALES DOCENTE: Ing. BENDEZ U PRADO Jaime Leonardo ALUMNOS: {ALARCON TUEROS, Juan Carlos {ALIAGA PA ~ NAHUA, Beatriz {CARDENAS MENDOZA, Kevin E. {CASAFRANCA LUZA, Jhonatan {CCENTA ANGULO, Victor {CISNEROS ARROYO, Jean B. {GUTIERREZ PEREZ, Yuri {MAURICIO CUCHURI, John {ORE CURI, Rhuter {PAUCAR CORONADO, Conan

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fluidos 2

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Universidad Nacional de San Cristobal deHuamanga

Facultad de Ingenierıa Minas, Geologıa y Civil

Escuela de Formacion Profesional de Ingeniera Civil

CURSO

MECANICA DE FLUIDOS II

AVANCE DEL INFORME SEMESTRALTEMA:DISIPADORES DE ENERGIA EN

CANALES

DOCENTE:

Ing. BENDEZU PRADO Jaime Leonardo

ALUMNOS:

–ALARCON TUEROS, Juan Carlos

–ALIAGA PANAHUA, Beatriz

–CARDENAS MENDOZA, Kevin E.

–CASAFRANCA LUZA, Jhonatan

–CCENTA ANGULO, Victor

–CISNEROS ARROYO, Jean B.

–GUTIERREZ PEREZ, Yuri

–MAURICIO CUCHURI, John

–ORE CURI, Rhuter

–PAUCAR CORONADO, Conan

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Índice GeneralÍndice General

INTRODUCCIÓN . . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . . iiiOBJETIVOS . . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . . iv

CAPITULO 1 CONCEPTOS PRELIMINARES −−−−−−−−−−−−−−−−−−− Pag. 1

1.1 Definición . . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . . 11.2 Clasificación de los canales . . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . . 1

1.2.1 a) Canales naturales: . . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .11.2.2 b) Canales artificiales:. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . . 21.2.3 SECCIONES CERRADAS . . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . . 21.2.4 Canales de riego por su función . . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . . 3

1.3 Elementos geométricos de los canales . . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . . 4

CAPITULO 2 LA DISIPACIÓN DE ENERGÍA −−−−−−−−−−−−−−−−−− Pag. 6

2.1 RESALTO HIDRAÚLICO . . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . . 72.1.1 GENERACIÓN DEL RESALTO HIDRÁULICO . . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . . 82.1.2 TIPOS DE RESALTO HIDRÁULICO . . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . . 102.1.3 CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DEL RESALTO HIDRÁULICO

112.1.4 Aplicaciones del Resalto Hidraúlico . . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . . 14

CAPITULO 3 TIPOS DE DISIPADORES DE ENERGIA: −− Pag. 163.0.5 Disipadores de energia por expansiones y desviaciones: . . .. . .. . .. . .. . .. . . 163.0.6 Disipadores de energia por contraflujo: . . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . . 173.0.7 Disipadores de energia por canales rugosos y cascadas . . .. . .. . .. . .. . .. . .. . . 183.0.8 Disipadores de energia a traves de la formación de vórtices . . .. . . 193.0.9 Disipadores de energía por entrada de aire . . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . . 213.0.10Disipadores de energia por chorros difusores . . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . . 223.0.11Disipadores de energía con bloques de impacto o con umbrales 243.0.12Disipadores de energia por escalones . . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . . 25

CAPITULO 4 Impacto Ambiental −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− Pag. 26

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4.1 VISIONES PREVIAS . . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . . 264.1.1 IMPACTO POSITIVO . . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . . 294.1.2 IMPACTO NEGATIVO. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . . 30

CAPITULO Conclusiones −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− Pag. 31

Page 4: Informe Semestral Fluidos II

INTRO DUCCIÓN

Uno de los aspectos que generalmente merece especial atención en el diseño deobras hidráulicas es la disipación de la energía cinética que adquiere un flujo ensu descenso. Esta situación se presenta en vertederos de excedencias, estructuras

de caída, desfogues de fondo, bocatomas, salidas de alcantarillas, etc. La disipación dela energía cinética puede lograrse aplicando diferentes medidas, a saber: generación deresalto hidráulico, impacto o incremento de la rugosidad.La estructura disipadora de energía es una parte importante de la obra de excedenciaque tiene por objeto disipar la energía cinética que el agua adquiere en su caída desdeel vaso hasta un sitio adecuado en el fondo del cauce, donde no genere problemas deerosión o socavación. Estas estructuras se diseñarán para que el agua, que sale delcanal de descarga, se aleje lo máximo posible, dentro de lo económico, de la cortina ode alguna estructura complementaria.El tipo de disipador de energía que se diseñe depende de la clase de material que setenga en el sitio en que se puede descargar la avenida. Cuando se tenga roca sana, sepuede descargar el agua directamente del vertedor, en régimen rápido, sin necesidad depasar a régimen tranquilo, siempre que no vaya a causar problema a la pequeña presao bordo de almacenamiento.

Si el material es erosionable, se diseña un tanque amortiguador de sección transver-sal rectangular, hecho de mampostería o concreto armado. Se debe estar con-sciente, que una falla en el diseño, instalación u operación de los disipadores

puede llevar a problemas como socavación, erosión o retención de material, que puedenterminar produciendo la falla del vertedero y posteriormente la falla de la presa.

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OBJETIVOSDel Informe

Conceptualizar la importancia de los disipadores de energía.

Dar a conocer los diferentes tipos de disipadores de energía y sus diferentesusos.

Elegir la obra disipadora de energía más apropiada para pequeñas presas dealmacenamiento de acuerdo a las condiciones topográficas y morfológicas propiasde la descarga.

Entender el impacto ambiental positivo y negativo que se genera con este tipoobras hidraúlicas.

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FG

F

r

UNSCH

Newton’s Second Law

Ferdinand P. Beer Late of Lehigh University

E.

Russell

Johnston, Jr.

University of Connecticut

DINÁMICA:

PARA LOS INDICES

v

FG

F

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v

PARA EL CAPITULO

INGENIERÍA CIVIL - UNSCH

DINÁMICA (IC -246)

FONDO DE HOJA

Contents

CHAPTER 1 INTRODUCTION /11.1 Note to Students /3

1.2 Scope of Fluid Mechanics /41.3 Definitio of a Fluid /41.4 Basic Equations /51.5 Methods of Analysis /6

System and Control Volume /7Differential versus Integral Approach /8Methods of Description /9

1.6 Dimensions and Units /11Systems of Dimensions /11Systems of Units /11Preferred Systems of Units /13Dimensional Consistency and “Engineering” Equations /14

1.7 Analysis of Experimental Error /151.8 Summary /16

Problems /17

CHAPTER 2 FUNDAMENTAL CONCEPTS /202.1 Fluid as a Continuum /21

2.2 Velocity Field /23One-, Two-, and Three-Dimensional Flows /24Timelines, Pathlines, Streaklines, and Streamlines /25

2.3 Stress Field /292.4 Viscosity /31

Newtonian Fluid /32Non-Newtonian Fluids /34

2.5 Surface Tension /362.6 Description and Classificatio of Fluid Motions /38

Viscous and Inviscid Flows /38Laminar and Turbulent Flows /41Compressible and Incompressible Flows /42Internal and External Flows /43

2.7 Summary and Useful Equations /44

v

Postgraduate Studywww.nottingham.ac.uk/civil

MSc Engineering: Civil Environmental Fluid Mechanics Civil engineering problems require the application of analytical, decision-making and critical thinking skills, this course will provide students with the technical knowledge needed to develop these skills.

This course allows for specialisation in the field of environmental fluid

mechanics. An introduction into the broader civil engineering subjects

will then be accompanied with a choice of specialised optional

modules of your chosen theme.

The course will concentrate on the technical knowledge and skills that

are most relevant to the field of environmental fluid mechanics for the

award of MSc in Civil Engineering: Environmental Fluid Mechanics.

Students will develop:

• the ability to communicate ideas effectively in written reports,

verbally and by means of presentations to groups

• the ability to exercise original thought

• the ability to plan and undertake an individual project

• interpersonal, communication and professional skills

cg

Las fuerzas en elelemento fluido de-bidas a la presióndeben sumarse a lafuerza de flotaciónde igual magnitudal peso delelemento.

dF'dF'

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dF'dF uido dF' '

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A2

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ISSN 1439-9776

published by

Fluid Power Net International - FPNI

http://fluid.pwer.net

International Journal

of Fluid PowerVolume 9 Number 2 August 2008

Fundamentals of

Fluid Mechanics

Munson Okiishi Huebsch Rothmayer

se

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nth

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n

ISSN 1439-9776

published by

Fluid Power Net International - FPNI

http://fluid.pwer.net

International Journal

of Fluid PowerVolume 9 Number 2 August 2008

MECÁNICA DE

FLUIDOS I

Capítulo

CONCEPTOSPRELIMINARESCONCEPTOS

PRELIMINARES111

1.1 DefiniciónLos canales son conductos abiertos o cerrados en los cuales el agua circula debido a laacción de la gravedad y sin ninguna presión, pues la superficie libre del líquido está encontacto con la atmósfera; esto quiere decir que el agua fluye impulsada por la presiónatmosférica y de su propio peso.

1.2 Clasificación de los canalesDe acuerdo con su origen los canales se clasifican en:

1.2.1 a) Canales naturales:Incluyen todos los cursos de agua que existen de manera natural en la tierra, los cualesvarían en tamaño desde pequeños arroyuelos en zonas montañosas, hasta quebradas, ríospequeños y grandes, arroyos, lagos y lagunas. Las corrientes subterráneas que transportanagua con una superficie libre también son consideradas como canales abiertos naturales. Lasección transversal de un canal natural es generalmente de forma muy irregular y variabledurante su recorrido, lo mismo que su alineación y las características y aspereza de loslechos.

Ingeniería Civil Pag. 1

Page 7: Informe Semestral Fluidos II

Capitulo 1 CONCEPTOS PRELIMINARES UNSCH

1.2.2 b) Canales artificiales:Los canales artificiales son todos aquellos construidos o desarrollados mediante el esfuerzode la mano del hombre, tales como: canales de riego, de navegación, control de inundaciones,canales de centrales hidroeléctricas, alcantarillado pluvial, sanitario, canales de desborde,canaletas de madera, cunetas a lo largo de carreteras, cunetas de drenaje agrícola y canalesde modelos construidos en el laboratorio. Los canales artificiales usualmente se diseñan conforma geométricas regulares (prismáticos), un canal construido con una sección transversalinvariable y una pendiente de fondo constante se conoce como canal prismático. El términosección de canal se refiere a la sección transversal tomado en forma perpendicular a ladirección del flujo. (Fig.1.3). Las secciones transversales más comunes son las siguientes:

Sección trapezoidal:

Se usa en canales de tierra debido a que proveen las pendientes necesarias para estabilidad,y en canales revestidos.

Sección rectangular:

Debido a que el rectángulo tiene lados verticales, por lo general se utiliza para canalesconstruidos con materiales estables, acueductos de madera, para canales excavados en rocay para canales revestidos.

Sección triangular:

Se usa para cunetas revestidas en las carreteras, también en canales de tierra pequeños, fun-damentalmente por facilidad de trazo. También se emplean revestidas, como alcantarillasde las carreteras.

Sección parabólica:

Se emplea en algunas ocasiones para canales revestidos y es la forma que toman aproxi-madamente muchos canales naturales y canales viejos de tierra.

1.2.3 SECCIONES CERRADAS

Sección circular:

El círculo es la sección más común para alcantarillados y alcantarillas de tamaños pequeñoy mediano.

Sección parabólica:

Se usan comúnmente para alcantarillas y estructuras hidráulicas importantes.

Ingeniería Civil Pag. 2

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Capitulo 1 CONCEPTOS PRELIMINARES UNSCH

Pedro Rodríguez Ruiz Hidráulica II

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Corte

1

2 3

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Canal prismático. Sección transversal.

Sección transversal, corte A-B

Rectangular Trapecial Compuesta

circular Semi circular Herradura

La selección de la forma determinada de la sección transversal, depende del tipo de canalpor construir; así, la trapecial es muy común en canales revestidos, la rectangular encanales revestidos con material estable como concreto, mampostería, tabique, madera, etc.,la triangular en canales pequeños como las cunetas y contracunetas en las carreteras, yla circular en alcantarillas, colectores y túneles. Existen secciones compuestas como lasanteriores que encuentran utilidad en la rectificación de un río que atraviesa una ciudad.

1.2.4 Canales de riego por su funciónLos canales de riego por sus diferentes funciones adoptan las siguientes denominaciones:

Canal de primer orden.- Llamado también canal principal o de derivación y se le trazasiempre con pendiente mínima, normalmente es usado por un solo lado ya que por el otrolado da con terrenos altos (cerros).

Canal de segundo orden.- Llamados también laterales, son aquellos que salen del canal

Ingeniería Civil Pag. 3

Page 9: Informe Semestral Fluidos II

Capitulo 1 CONCEPTOS PRELIMINARES UNSCH

principal y el gasto que ingresa a ellos, es repartido hacia los sub – laterales, el área deriego que sirve un lateral se conoce como unidad de riego.

Canal de tercer orden.- Llamados también sub-laterales y nacen de los canales laterales, elgasto que ingresa a ellos es repartido hacia las parcelas individuales a través de las tomasgranjas.

1.3 Elementos geométricos de los canalesLos elementos geométricos son propiedades de una sección de canal que pueden ser definidospor completo por la geometría de la sección y la profundidad del flujo. Estos elementosson muy importantes y se utilizan con amplitud en el cálculo de flujo. Para secciones decanal regulares y simples, los elementos geométricos pueden expresarse matemáticamenteen términos de la profundidad de flujo y de otras dimensiones de la sección. La forma masconocida de la sección transversal de un canal es la trapecial, como se muestra en la fig.1.5.

Pedro Rodríguez Ruiz Hidráulica II

www.civilgeeks.com Pág.5

Fig. 1.5. Elementos geométricos más importantes.

Tirante de agua o profundidad de flujo “d”: Es la distancia vertical desde el punto más bajo de una sección del canal hasta la superficie libre, es decir la profundidad máxima del agua en el canal.

Ancho superficial o espejo de agua “T”: Es el ancho de la superficie libre del agua, en

m. Talud “m”: Es la relación de la proyección horizontal a la vertical de la pared lateral (se llama también talud de las paredes laterales del canal). Es decir “m” es el valor de la proyección horizontal cuando la vertical es 1, aplicando relaciones trigonométricas. Es la

cotangente del ángulo de reposo del material ( ) , es decir y depende del tipo

de material en que se construya el canal, a fin de evitar derrumbes (ver Tabla 1). Por ejemplo, cuando se dice que un canal tiene talud 1.5:1, quiere decir que la proyección horizontal de la pared lateral es 1.5 veces mayor que la proyección vertical que es 1, por lo tanto el talud m = 1.5, esto resulta de dividir la proyección horizontal que vale 1.5 entre la vertical que vale 1. Coeficiente de rugosidad : depende del tipo de material en que se aloje el canal (ver

Tabla 2).

Pendiente : es la pendiente longitudinal de la rasante del canal.

Área hidráulica : es la superficie ocupada por el agua en una sección transversal

normal cualquiera (Fig. 6), se expresada en m2.

Perímetro mojado : es la longitud de la línea de contorno del área mojada entre el

agua y las paredes del canal, (línea resaltada Fig. 6), expresado en m.

Radio hidráulico : es el cociente del área hidráulica y el perímetro mojado. , en

m.

Ancho de la superficial o espejo del agua : es el ancho de la superficie libre del agua,

expresado en m.

Tirante medio : es el área hidráulica dividida por el ancho de la superficie libre del

agua . , se expresa m.

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Tirante de agua o profundidad de flujo “d”: Es la distancia vertical desde el punto másbajo de una sección del canal hasta la superficie libre, es decir la profundidad máxima delagua en el canal.

Ancho superficial o espejo de agua “T”: Es el ancho de la superficie libre del agua, en m.

Talud (m): Es la relación de la proyección horizontal a la vertical de la pared lateral (sellama también talud de las paredes laterales del canal). Es decir (m) es el valor de laproyección horizontal cuando la vertical es 1, aplicando relaciones trigonométricas. Es lacotangente del ángulo de reposo del material (θ) , es decir m=x/d y depende del tipo dematerial en que se construya el canal, a fin de evitar derrumbes (ver Tabla 1). Por ejemplo,cuando se dice que un canal tiene talud 1.5:1, quiere decir que la proyección horizontal de lapared lateral es 1.5 veces mayor que la proyección vertical que es 1, por lo tanto el talud m= 1.5, esto resulta de dividir la proyección horizontal que vale 1.5 entre la vertical que vale 1.

Coeficiente de rugosidad (n): depende del tipo de material en que se aloje el canal (verTabla 2).

Ingeniería Civil Pag. 4

Page 10: Informe Semestral Fluidos II

Capitulo 1 CONCEPTOS PRELIMINARES UNSCH

Pendiente (S) : es la pendiente longitudinal de la rasante del canal.

Área hidráulica (A) : es la superficie ocupada por el agua en una sección transversalnormal cualquiera (Fig. 6), se expresada en m2.

Perímetro mojado (P) : es la longitud de la línea de contorno del área mojada entre elagua y las paredes del canal, (línea resaltada Fig. 6), expresado en m.

Radio hidráulico (R) : es el cociente del área hidráulica y el perímetro mojado. R=A/P,en m.

Ancho de la superficial o espejo del agua (T): es el ancho de la superficie libre del agua,expresado en m.

Tirante medio (dm) : es el área hidráulica dividida por el ancho de la superficie libre delagua . dm=A/T, se expresa m.

Libre bordo (Lb) : es la distancia que hay desde la superficie libre del agua hasta lacorona del bordo, se expresa en m.

Gasto (Q) : es el volumen de agua que pasa en la sección transversal del canal en la unidadde tiempo, y se expresa en m3/s.

Velocidad media (V) : es con la que el agua fluye en el canal, expresado en m/s.

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Newton’s Second Law

Ferdinand P. Beer Late of Lehigh University

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Johnston, Jr.

University of Connecticut

DINÁMICA:

PARA LOS INDICES

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PARA EL CAPITULO

INGENIERÍA CIVIL - UNSCH

DINÁMICA (IC -246)

FONDO DE HOJA

Contents

CHAPTER 1 INTRODUCTION /11.1 Note to Students /3

1.2 Scope of Fluid Mechanics /41.3 Definitio of a Fluid /41.4 Basic Equations /51.5 Methods of Analysis /6

System and Control Volume /7Differential versus Integral Approach /8Methods of Description /9

1.6 Dimensions and Units /11Systems of Dimensions /11Systems of Units /11Preferred Systems of Units /13Dimensional Consistency and “Engineering” Equations /14

1.7 Analysis of Experimental Error /151.8 Summary /16

Problems /17

CHAPTER 2 FUNDAMENTAL CONCEPTS /202.1 Fluid as a Continuum /21

2.2 Velocity Field /23One-, Two-, and Three-Dimensional Flows /24Timelines, Pathlines, Streaklines, and Streamlines /25

2.3 Stress Field /292.4 Viscosity /31

Newtonian Fluid /32Non-Newtonian Fluids /34

2.5 Surface Tension /362.6 Description and Classificatio of Fluid Motions /38

Viscous and Inviscid Flows /38Laminar and Turbulent Flows /41Compressible and Incompressible Flows /42Internal and External Flows /43

2.7 Summary and Useful Equations /44

v

Postgraduate Studywww.nottingham.ac.uk/civil

MSc Engineering: Civil Environmental Fluid Mechanics Civil engineering problems require the application of analytical, decision-making and critical thinking skills, this course will provide students with the technical knowledge needed to develop these skills.

This course allows for specialisation in the field of environmental fluid

mechanics. An introduction into the broader civil engineering subjects

will then be accompanied with a choice of specialised optional

modules of your chosen theme.

The course will concentrate on the technical knowledge and skills that

are most relevant to the field of environmental fluid mechanics for the

award of MSc in Civil Engineering: Environmental Fluid Mechanics.

Students will develop:

• the ability to communicate ideas effectively in written reports,

verbally and by means of presentations to groups

• the ability to exercise original thought

• the ability to plan and undertake an individual project

• interpersonal, communication and professional skills

cg

Las fuerzas en elelemento fluido de-bidas a la presióndeben sumarse a lafuerza de flotaciónde igual magnitudal peso delelemento.

dF'dF'

dF' B

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ISSN 1439-9776

published by

Fluid Power Net International - FPNI

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of Fluid PowerVolume 9 Number 2 August 2008

Fundamentals of

Fluid Mechanics

Munson Okiishi Huebsch Rothmayer

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of Fluid PowerVolume 9 Number 2 August 2008

MECÁNICA DE

FLUIDOS I

Capítulo

LA DISIPACIÓNDE ENERGÍA

LA DISIPACIÓNDE ENERGÍA

12 22

El objetivo de la disipación de energía es, prevenir la erosión aguas abajo de los vertederosde rebose, rápidas,compuertas deslizantes y todo tipo de estructura hidráulica que genereelevada energía en el flujo.Al producirse la disipación de energía, se reduce rápidamente la velocidad del flujo sobreun piso protegido, hasta un punto donde el flujo pierde su capacidad de socavar el lechoaguas abajo.

La esencia de la disipación de energía se fundamenta,en el calor generado al detenerse unflujo bruscamente por diferentes causas. El aumento de temperatura en el agua es mínimo,del orden de 0.24oC en una caída de 100m, por lo que se considera como destrucción de laenergía hidráulica más que como una conversión.El mecanismo de disipación es similar a la pérdida de energía que tiene un flujo a lolargo de su trayectoria,como fruto de las fuerzas de fricción y de corte pero con un altoporcentaje de disipación en cortas distancias,lo cual se produce debido a la turbulenciagenerada, ya sea por partículas de flujo dentrode una gran corriente de flujo o tambiénpor gotas de agua en una corriente de aire. En el primer caso la disipación, se relacionacon los remolinos formados en zonas de alta velocidad, por efecto de fuerzas cortantes yen el segundo, resulta como efecto de la resistencia del aire ejercida a las partículas de agua.

Para la selección del tipo de disipador se debe tener las siguientes consideraciones:

Energía de la corriente.

Economía y mantenimiento ya que éste eleva mucho el costo.

Condiciones del cauce aguas abajo (roca, suelo erosionable, etc).

Ubicación de las vías de acceso, casa de máquinas, y demás estructuras hidráulicaya que su seguridad no puede quedar comprometida.

Congelamiento.

Ingeniería Civil Pag. 6

Page 12: Informe Semestral Fluidos II

Capitulo 2 LA DISIPACIÓN DE ENERGÍA UNSCH

Efecto de las subpresiones y del vapor de agua sobre las instalaciones.

Daños causados a la fauna y la flora por la erosión.

Proyectos y poblaciones aguas abajo.

2.1 RESALTO HIDRAÚLICOEl resalto hidráulico es el caso más común de disipación de energía, generada por partículasde flujo dentro de otra corriente de flujo.

El Resalto Hidráulico se define como la elevación brusca de la superficie líquida, cuandoel escurrimiento permanente pasa del régimen supercrítico al régimen subcrítico. Es unfenómeno local muy útil para disipar energía hidráulica. Este cambio brusco de régimense caracteriza por una alteración rápida de la curvatura de las trayectorias del flujo, queproduce vórtices (turbulencia) en el eje horizontal, lo que implica inclusive la aparición develocidades en dirección opuesta al flujo que propician choques entre partículas en formamás o menos caótica, ocasionando una gran disipación de energía.

Esencialmente existen cinco formas de salto que pueden ocurrir en canales de fondo hori-zontal. Cada una de estas formas se clasificó de acuerdo con el valor del número de Froude,relativo al régimen supercrítico de la corriente.La teoría del salto hidráulico se expresa brevemente de la manera que se presenta acontinuación.

Sea abfe una masa de agua que se desplaza en el resalto . En un intervalo de tiempo,dicha masa de agua pasará a la posición cdhg. Entre la sección cd a la ef hay un aumentode la sección mojada y en consecuencia, una disminución de la velocidad, pues se tratade movimiento constante. Esto equivale a decir que hubo disminución de la cantidad demovimiento de la masa de agua.

Precisamente la gran pérdida de energía provocada en el salto, es lo que convierte alsalto hidráulico en un fenómeno deseable para el proyectista, ya que en muchas ocasionesse requiere disminuir drásticamente la velocidad del escurrimiento en zonas en que noimporta que sea grande el tirante, pero sí conviene ahorrar en revestimiento al obtenersevelocidades no erosivas.

Ingeniería Civil Pag. 7

Page 13: Informe Semestral Fluidos II

Capitulo 2 LA DISIPACIÓN DE ENERGÍA UNSCH

2.1.1 GENERACIÓN DEL RESALTO HIDRÁULICOEl 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 elevadavelocidad. Este fenómeno presenta un estado de fuerzas en equilibrio, en el que tiene lugarun cambio violento del régimen de flujo, de supercrítico a subcrítico.Consideremos el siguiente esquema:

UNIVERSIDAD DEL CAUCA

DEPARTAMENTO DE HIDRÁULICA XI.1

PRÁCTICA XI

XI ESTUDIO DEL FLUJO RÁPIDAMENTE VARIADO RETARDADO

RESALTO HIDRÁULICO

XI.1 OBJETIVOS

Estudiar, a través del experimento, el comportamiento de un resalto hidráulico en un

canal rectangular de pendiente muy baja o nula.

Observar los diferentes tipos de resalto que se forman en la práctica en un canal

horizontal.

Verificar la validez de las ecuaciones que describen el comportamiento del flujo

aplicando los principios de energía y momentum.

XI.2 ASPECTOS GENERALES

XI.2.1 Generación del resalto hidráulico

El resalto hidráulico es el ascenso brusco del nivel del agua que se presenta en un canal

abierto 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.

Figura XI.1 Volumen de control en el resalto hidráulico, fuerzas hidrostáticas (Fh) y

fuerzas dinámicas (Fd).

En la sección 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 las fuerzas resultantes, ambas están espaciadas una

Ingeniería Civil Pag. 8

Page 14: Informe Semestral Fluidos II

Capitulo 2 LA DISIPACIÓN DE ENERGÍA UNSCH

En la sección 1 actúan las fuerzas hidrostática F1h F1d y dinámica F1d; en forma similar,pero en sentido contrario en la sección 2, F2h y F2d. En ambas secciones la sumatoriade fuerzas da como resultado F1 y F2 respectivamente. En el estado de equilibrio, estasfuerzas tienen la misma magnitud, pero dirección contraria (la fuerza F1h es menor aF2h, inversamente F1d es mayor a F2d ). Debido a la posición de las fuerzas resultantes,ambas están espaciadas una distancia d, lo cual genera un par de fuerzas de la mismamagnitud, pero de sentido contrario. En razón a la condición de líquido, las partículas quela 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 sentidocontrario a la dirección de flujo y de manera inversa en la zona cercana a la solera. Elrepentino encuentro entre las masas de líquido y el inevitable choque entre partículasprovocan la generación de un medio líquido de gran turbulencia que da lugar a la absorciónde aire de la atmósfera, dando como resultado una mezcla de agua y aire.

Para un metro de ancho de un canal, se considera el escurrimiento de una masa de fluidopor unidad de tiempo.

m=ρq

g

El impulso total se expresaráFd =

ρq

g(v1 − v2)

El que deberá estar en equilibrio con la fuerza resultante:

Fh1 − Fh2 =ρy22

2 − ρy12

2El impulso se expresa ahora:

ρy22

2 − ρy12

2 =ρq

g(v1 − v2)

Considerando la ecuación de continuidad

q = y1v1 = y2v2

y eliminado q y v2 se obtiene:

y22 + y2y1 −

2y1v12

g= 0

Resultando el tirante conjugado (aguas abajo del resalto):

y2 = −y12 +

√y12

4 +2y1v12

g

con:Fr1 =

v1√gy1

La expresión del número de Froude (número adimensional que expresa la relación entre lasfuerzas de inercia y de gravedad), permitirá obtener la expresión adimensional de tirantesconjugados:

Ingeniería Civil Pag. 9

Page 15: Informe Semestral Fluidos II

Capitulo 2 LA DISIPACIÓN DE ENERGÍA UNSCH

y2y1

= 12(√

1 + 8Fr12 − 1)

El tirante antes y después del resalto hidráulico resulta función del Número de Froude.

Las características del resalto hidráulico han sido aprovechadas para reducir las velocidadesde flujo en canales a valores que permitan el escurrimiento sin ocasionar tensiones decorte superiores a los límites permitidos por los materiales que componen el perímetromojado. El lugar geométrico en el que se presenta el resalto se denomina colchón hidráulico.

Diferentes investigadores han profundizado en el tema de la disipación de la energía através de un resalto hidráulico; algunos han puesto atención a la relación entre los tirantesy condiciones de flujo antes y después del resalto, los menos han abordado los mecanismosinternos que gobiernan este fenómeno hidráulico. Se ha investigado diferentes formas decolchones hidráulicos con el objeto de lograr una mejor disipación de energía en una menorlongitud.Pedro Rodríguez Ruiz Hidráulica II

www.civilgeeks.com Pág.259

Formación del salto hidráulico en estructuras de canales.

2.1.2 TIPOS DE RESALTO HIDRÁULICODe acuerdo a los estudios realizados por U.S. Bureau of Reclamation, el resalto hidráulicopuede clasificarse de acuerdo con el número de Froude al inicio del resalto (F1) en lossiguientes tipos:

Ingeniería Civil Pag. 10

Page 16: Informe Semestral Fluidos II

Capitulo 2 LA DISIPACIÓN DE ENERGÍA UNSCH

UNIVERSIDAD DEL CAUCA

DEPARTAMENTO DE HIDRÁULICA XI.5

FR1 Tipo Características del resalto Esquema

FR1 = 1

Flujo crítico, por lo que no se forma ningún resalto.

1 < FR1 < 1.7

Ondular

La superficie de agua presenta la tendencia a la formación de

ondulaciones. La disipación de energía es baja, menor del 5%.

1.7 < FR1 < 2.5

Débil

El ondulamiento de la superficie en el tramo de mezcla es mayor y

aguas abajo las perturbaciones superficiales son menores. Se

generan muchos rodillos de agua en la superficie del resalto,

seguidos de una superficie suave y estable. La energía disipada

está entre el 5%-15%.

2.5 < FR1 < 4.5

Oscilante

Presenta un chorro intermitente sin ninguna periodicidad, que

parte desde el fondo y se manifiesta hasta la superficie, y retrocede

nuevamente. Cada oscilación produce una gran onda que puede

viajar largas distancias. La disipación de energía es del 15%-45%.

4.5 < FR1 < 9.0

Permanente

o

Estable

Se trata de un resalto plenamente formado, con mayor estabilidad

y el rendimiento es mejor, pudiendo variar la energía disipada

entre 45 % a 70 %.

FR1 > 9.0

Fuerte

Resalto con gran disipación de energía (hasta 80 %), gran

ondulación de la superficie con tendencia de traslado de la zona de

régimen supercrítico hacia aguas abajo. Caracterizado por altas

velocidades y turbulencia, con generación de ondas y formación

de una superficie tosca aguas abajo.

Clasificación de los resaltos hidráulicos. Modificado de Marbello (1997)

2.1.3 CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DEL RESALTOHIDRÁULICO

Pérdida De Energía

En el resalto hidráulico la pérdida de energía es igual a las diferencias de energías específicasantes y después del resalto:

∆E = E1 −E2 =(y2 − y1)

3

4y2y1

La relación ∆EE1

, se conoce como la pérdida relativa.

Eficiencia

La relación entre la energía específica antes y después del resalto se conoce como eficienciadel resalto:

E2E1

=(8F1

2 + 1)3/2 − 4F12 + 1

8F12(2 + F1

2)

Por lo tanto la eficiencia de un resalto depende únicamente del número de Froude y delflujo de aproximación. La pérdida relativa es igual a 1- ∆E

E1

Longitud Del Resalto

Se define como la distancia medida desde la cara frontal del resalto hasta un punto en lasuperficie inmediatamente aguas abajo del remolino. Hasta la actualidad esta longitud nopuede ser determinada matemáticamente pero ha sido estudiada experimentalmente pormuchos investigadores.

Ingeniería Civil Pag. 11

Page 17: Informe Semestral Fluidos II

Capitulo 2 LA DISIPACIÓN DE ENERGÍA UNSCH

La figura , presenta los resultados de una investigación realizada por el U.S Bureau ofReclamation, estudio realizado en seis canales rectangulares. En ausencia de un estudio paracanales trapezoidales, puede usarse los resultados de los estudios en canales rectangularespara determinar la longitud de un resalto hidráulico con una aproximación bastante buena.

Perfil Superficial Del Resalto

El conocimiento del perfil superficial de un resalto es necesario en el diseño del borde librepara los muros laterales donde ocurre el resalto, además es importante para determinar lapresión que debe utilizarse en el diseño estructural del colchón amortiguador, debido a queexperimentos han demostrado que la presión vertical en el piso horizontal bajo la acciónde un resalto hidráulico, es prácticamente la misma que indicaría el perfil de la superficiedel agua.En base a los datos experimentales de Backhmeteff y Matzke, en la figura , se presentauna serie de curvas adimensionales para distintos valores de F1, con las que se puededeterminar el perfil superficial de un resalto hidráulico.

Ingeniería Civil Pag. 12

Page 18: Informe Semestral Fluidos II

Capitulo 2 LA DISIPACIÓN DE ENERGÍA UNSCH

Diagrama deBakhmeteff y Matzke

Localización Del Resalto Hidráulico

La ubicación del resalto hidráulico depende de las condiciones de flujo tanto aguas arribacomo aguas abajo. Para la explicación de este aspecto consideremos el caso de flujo através de en conducto inferior, a manera de un desfogue de fondo. Aguas abajo, el nivelde agua es influenciado por algún elemento de control, como por ejemplo una estructurade caída.

El resalto hidráulico puede ser localizado, determinando y comparando las energías especí-ficas en el flujo supercrítico y en el flujo subcrítico y de esta forma, conocer si el resalto essumergido o rechazado. Una vez conocido el tipo de resalto y el calado uniforme aguasabajo, valiéndonos de la curva de energía específica Vs altura de agua, se determina el tipode curva de remanso y con esto el inicio del resalto hidráulico.

Ingeniería Civil Pag. 13

Page 19: Informe Semestral Fluidos II

Capitulo 2 LA DISIPACIÓN DE ENERGÍA UNSCH

Esquema de un resalto hidráulico en un sistema formado por una compuerta y unelemento de control

Por un lado, el tirante alcanza su mínimo valor inmediatamente después de la compuerta,este se incrementa gradualmente en régimen supercrítico en dirección aguas abajo. Porotro lado, el tirante aguas abajo se desarrolla a través de una curva de depresión incremen-tándose hacia aguas arriba en régimen subcrítico.En alguna sección A, el chorro que se desplaza desde la compuerta tiene tirante h1Arequiere para la formación del resalto un tirante conjugado h2A , sin embargo, el tirantereal en esta sección es menor al requerido. Bajo estas condiciones, el chorro supercríticocontinúa avanzando hacía aguas abajo, incrementando su tirante y por lo tanto reduciendosu energía cinética. En una sección G, el tirante conjugado requerido h2A alcanzará unamagnitud equivalente al tirante existente, presentándose las condiciones para la formaciónde un resalto hidráulico.

2.1.4 Aplicaciones del Resalto HidraúlicoEn el campo del flujo en canales abiertos el salto hidráulico suele tener muchas aplicacionesentre las que están:

La disipación de energía en flujos sobre diques, vertederos, presas y otras estructurashidráulicas y prevenir de esta manera la socavación aguas debajo de las estructuras.

El mantenimiento de altos niveles de aguas en canales que se utilizan para propósitosde distribución de agua.

Incrementos del gasto descargado por una compuerta deslizante al rechazar elretroceso del agua contra la compuerta, esto aumenta la carga efectiva y con ella ladescarga.

La reducción de la elevada presión bajo las estructuras mediante la elevación deltirante del agua sobre la guarnición de defensa de la estructura.

La mezcla de sustancias químicas usadas para la purificación o tratamiento de agua.

Ingeniería Civil Pag. 14

Page 20: Informe Semestral Fluidos II

Capitulo 2 LA DISIPACIÓN DE ENERGÍA UNSCH

La aireación de flujos y el desclorinado en el tratamiento de agua.

La remoción de bolsas de aire con flujo de canales abiertos en canales circulares.

La identificación de condiciones especiales de flujo con el fin de medir la razónefectividad-costo del flujo.

Recuperar altura o aumentar el nivel del agua en el lado de aguas debajo de unacanaleta de medición y mantener un nivel alto del agua en el canal de irrigación ode cualquier estructura para distribución de aguas.

Ingeniería Civil Pag. 15

Page 21: Informe Semestral Fluidos II

FG

F

r

UNSCH

Newton’s Second Law

Ferdinand P. Beer Late of Lehigh University

E.

Russell

Johnston, Jr.

University of Connecticut

DINÁMICA:

PARA LOS INDICES

v

FG

F

r

v

PARA EL CAPITULO

INGENIERÍA CIVIL - UNSCH

DINÁMICA (IC -246)

FONDO DE HOJA

Contents

CHAPTER 1 INTRODUCTION /11.1 Note to Students /3

1.2 Scope of Fluid Mechanics /41.3 Definitio of a Fluid /41.4 Basic Equations /51.5 Methods of Analysis /6

System and Control Volume /7Differential versus Integral Approach /8Methods of Description /9

1.6 Dimensions and Units /11Systems of Dimensions /11Systems of Units /11Preferred Systems of Units /13Dimensional Consistency and “Engineering” Equations /14

1.7 Analysis of Experimental Error /151.8 Summary /16

Problems /17

CHAPTER 2 FUNDAMENTAL CONCEPTS /202.1 Fluid as a Continuum /21

2.2 Velocity Field /23One-, Two-, and Three-Dimensional Flows /24Timelines, Pathlines, Streaklines, and Streamlines /25

2.3 Stress Field /292.4 Viscosity /31

Newtonian Fluid /32Non-Newtonian Fluids /34

2.5 Surface Tension /362.6 Description and Classificatio of Fluid Motions /38

Viscous and Inviscid Flows /38Laminar and Turbulent Flows /41Compressible and Incompressible Flows /42Internal and External Flows /43

2.7 Summary and Useful Equations /44

v

Postgraduate Studywww.nottingham.ac.uk/civil

MSc Engineering: Civil Environmental Fluid Mechanics Civil engineering problems require the application of analytical, decision-making and critical thinking skills, this course will provide students with the technical knowledge needed to develop these skills.

This course allows for specialisation in the field of environmental fluid

mechanics. An introduction into the broader civil engineering subjects

will then be accompanied with a choice of specialised optional

modules of your chosen theme.

The course will concentrate on the technical knowledge and skills that

are most relevant to the field of environmental fluid mechanics for the

award of MSc in Civil Engineering: Environmental Fluid Mechanics.

Students will develop:

• the ability to communicate ideas effectively in written reports,

verbally and by means of presentations to groups

• the ability to exercise original thought

• the ability to plan and undertake an individual project

• interpersonal, communication and professional skills

cg

Las fuerzas en elelemento fluido de-bidas a la presióndeben sumarse a lafuerza de flotaciónde igual magnitudal peso delelemento.

dF'dF'

dF' B

dF'

wfl

dF'dF uido dF' '

dF'

cgB

dF' dFdF ''

dF dF' '

w

dF'dF'

v2

v1

v dt1

v dt2

A2

A1

ISSN 1439-9776

published by

Fluid Power Net International - FPNI

http://fluid.pwer.net

International Journal

of Fluid PowerVolume 9 Number 2 August 2008

Fundamentals of

Fluid Mechanics

Munson Okiishi Huebsch Rothmayer

se

ve

nth

ed

itio

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ISSN 1439-9776

published by

Fluid Power Net International - FPNI

http://fluid.pwer.net

International Journal

of Fluid PowerVolume 9 Number 2 August 2008

MECÁNICA DE

FLUIDOS I

Capítulo

TIPOS DE DISI-PADORES DE ENERGIA:

TIPOS DE DISI-PADORES DE ENERGIA:

1

2

3

33

De acuerdo a las características de los disipadores de energía se los puede clasificar de lasiguiente manera:

3.0.5 Disipadores de energia por expansiones y desviaciones:Una expansión repentina en una tubería induce a la conocida pérdida de Bord Carnot, estetipo de pérdida usualmente describe el comportamiento de una pérdida de impacto, en laque una corriente rápida impacta con otra de menor velocidad, produciéndose separacióndel flujo y una zona de altas velocidades. Por lo tanto, muchos disipadores de energía sonbasados en expansiones bruscas, debido a que la velocidad aguas abajo en este tipo deestructura es mucho menor que la del flujo de entrada. El clásico resalto hidráulico comoel de la figura 1.3a. es el más conocido fenómeno relacionado a la disipación de energía.Este puede ser comparado con una expansión brusca en una tubería y en cierto modotrabajan de la misma forma. El clásico resalto hidráulico se produce por el cambio deltipo de flujo de supercrítico a subcrítico, pero si las condiciones en un canal no permitenel cambio natural del tipo de flujo, este puede ser forzado por la presencia de diferentestipos de accesorios, como es el caso de los llamados disipadores de energía forzados en uncuenco disipador, los accesorios utilizados para forzar el resalto pueden ser rampas, gradas,umbrales, deflectores, vigas, etc. En la figura 1.3b se muestra un tipo de obstrucción através de vigas. En la figura 1.3c se puede observar un tipo de disipador con una vigacolgada como obstrucción y con una expansión en planta. El disipador mostrado enla figura 1.3d con una tubería perforada descargado sumergido en un tanque, es otraalternativa de forzar el clásico resalto hidráulico.

Ingeniería Civil Pag. 16

Page 22: Informe Semestral Fluidos II

Capitulo 3 TIPOS DE DISIPADORES DE ENERGIA: UNSCH

DISIPADORES DE ENERGÍA CON RESALTO FORZADO

FIGURA 1.3

3.0.6 Disipadores de energia por contraflujo:El principio de contraflujo se refiere. a que la energia de un chorro puede ser disipadaen dos o más partes el chorro de entrada y luego direccionando estos chorros para quese produzcan un choque entre ellos. Una importante característica es la diferencia entrechorros, en la que el uno puede tener más fuerza que el otro y también de choque, lasmismas que influyen en la cantidad de disipación. En el cuenco disipador mostrado en lafigura 1.4, en donde los dos chorros tienen similar tamaño y velocidad de impacto, formadoen un pequeño ángulo entre ellos, se produce una baja disipación, ya que solamentepequeñas velocidades son generadas. Este mecanismo podría ser ventajoso formando unespray que puede ser beneficioso en otro contexto.

DISIPADORES DE ENERGÍA POR COLISIÓN DE DOS CHORROS IGUALES

FIGURA 1.4

Ingeniería Civil Pag. 17

Page 23: Informe Semestral Fluidos II

Capitulo 3 TIPOS DE DISIPADORES DE ENERGIA: UNSCH

La interacción de dos corrientes como las mostradas en la figura 1.5a es más efectiva. Estecaso es típico de una compuerta de doble salida, en donde la lámina de agua superiorperturba a la inferior, produciéndose un fenómeno similar al desatado por la obstrucciónde una viga colgada, forzando el resalto hidráulico aguas abajo. Una estructura para uncanal con bajo contenido de sedimentos es mostrada en la figura 1.5b similar a un cuencodisipador con un umbral de fondo y se comporta igual a un disipador de energía conobstrucción, en la que en este caso el contraflujo producido por el umbral en arco provocala formación de un resalto hidráulico. El disipador mostrado en la figura 1.5c es un chorroproductor de resalto hidráulico, el cual su principal objetivo no es generar generar pérdidapor impacto sino generar la formación del resalto hidráulico.

DISIPADORES DE ENERGÍA POR POR CONTRAFLUJO

FIGURA 1.5

3.0.7 Disipadores de energia por canales rugosos y cascadasUn canal con gran rugosidad puede disipar una gran parte de energía de su flujo en unadistancia relativamente corta. La rugosidad puede obtenerse de diferentes formas. Entrelas más comunes tenemos pequeños dientes deflectores para canales o vertederos de crestagruesa. Para el caso de canales o vertederos con pendientes mayores al 50%. Peterka(1964)recomienda dientes con alturas del 80% de la altura crítica del caudal de diseño,este valor de la altura da una idea de lo grande que tiene que sera la rugosidad del canal.Similares a los dientes deflectores son los canales con fondo de mampostería de piedra queen los ultimos años han empezado a hacerse muy populares (figura 1.6b). Una variedad deeste tipo de disipadores son los disipadores de energía en cascadas. Casi todos los tipos dedisipadores mencionados anteriormente pueden ser diseñados en series, como es el caso del

Ingeniería Civil Pag. 18

Page 24: Informe Semestral Fluidos II

Capitulo 3 TIPOS DE DISIPADORES DE ENERGIA: UNSCH

tipo en la figura 1.6c en el que se observa una serie de umbrales de fondo y en la figura1.6d se observa una serie de vertederos de cresta delgada con fuertes caídas.

DISIPADORES DE ENERGÍA POR CANALES RUGOSOS Y CASCADAS

FIGURA 1.6

3.0.8 Disipadores de energia a traves de la formación de vórticesLos disipadores de energía a través de formación de vórtices no son muy comunes comolos estudiados anteriormente, aunque su principio ha sido conocido hace mucho tiempo, laamplia aplicación en la Ingeniería Hidráulica ha sido mucho más reciente. La figura 1.7amuestra uno de los mecanismos básicos. En Europa disipadores de este tipo son llamadosvórtices de cámara o vórtices estranguladores, los cuales fueron exitosamente desarrolladospor Brombach (1982), en Estados Unidos estos son conocidos como " hydrobrake". Estedisipador consiste principalmente en un tanque plano cilíndrico con un ingreso tangencialy una salida axial del flujo, por lo tanto el flujo entrante crea fuertes vórtices y el flujosaliente es giratorio y muchas veces en hondas con núcleo de aire, de este modo parte deesta energía es disipada. En el caso de que el flujo saliente sea sumergido aguas abajo, esrecomendado colocar un aireador axial. Estos disipadores principalmente son usados ensistemas de alcantarillado pluvial. El mismo principio es aplicado en vórtices en tuboscomo se muestran en la figura 1.7b. El flujo es guiado tangencialmente en un tubo y realzaun recorrido helicoidal a lo largo de las paredes del tubo, para salir en una vena axial, laenergía es principalmente disipada por la fricción. Este tipo de disipadores son usualmenteutilizados en el vaciado de turbinas y para pequeñas descargas. Otro mecanismo de losdisipadores en vórtices son los producidos en cámaras con un nivel libre de aguas comose muestra en la figura 1.7c, este último consiste en una forma espiral para la entradadel flujo y un pozo vertical. El flujo de entrada es guiado hacia las paredes del pozo conuna fuerza centrifuga que se mantiene durante la caída debido al efecto del "Coanda",

Ingeniería Civil Pag. 19

Page 25: Informe Semestral Fluidos II

Capitulo 3 TIPOS DE DISIPADORES DE ENERGIA: UNSCH

como consecuencia de esto, el flujo sigue una trayectoria helicoidal hacia abajo, similar alrecorrido de las ranuras de un tornillo, generando pérdidas debido a la fricción a lo largode las paredes. En la parte final de un largo pozo el flujo se mueve prácticamente verticaly es casi un chorro de caída libre, la energía disipada es parcial por lo que es necesario esnecesario completar la disipación con un cuenco sumergido en el fondo del pozo. Este tipode disipador fue originalmente usado al final del túnel de carga en hidroeléctricas, peroactualmente es más utilizado para salvar desnivel en sistemas de alcantarillado pluvial.

DISIPADORES DE ENERGÍA A TRAVÉS DE VÓRTICES

FIGURA 1.7

Ingeniería Civil Pag. 20

Page 26: Informe Semestral Fluidos II

Capitulo 3 TIPOS DE DISIPADORES DE ENERGIA: UNSCH

FOTOGRAFÍA DE UN DISIPADOR DE ENERGÍA DEL TIPO VÓRTICES EN POZOS

FIGURA 1.8

3.0.9 Disipadores de energía por entrada de aireDiversos tipos de disipadores usan en los cuales un flujo y un lento son mezclados y laenergía cinética es así disipada. La pregunta surge si mezclando una corriente rápidacon una corriente de aire tiene similar efecto, esto no es así por supuesto, es claro quetodos los procesos de mezclas consumen energía, pero si supuesto ,es claro que todos losprocesos de mezclas consumen energía, pero si en flujos de altas velocidades ingresa aire,la pérdida de energía no es muy alta. En el caso de que el agua choque con una masade aire y considerando que la densidad del agua es aproximadamente 800 a 900 veces ladensidad del aire, las pérdidas son insignificantes aunque la masa de aire sea mucho mayorque la del agua. Por esta razón los aireadores de fondo (figura 1.9a) como los usados hoyen día sirven para prevenir la cavitación en canales y en vertederos de gran longitud yno son efectivos como disipadores de energía, aunque existe la posibilidad de combinarmecanismos de disipación con aireadores como los mostrados en la figura 1.9b. Existenotros tipos de combinaciones como las mostradas en la figura 1.9c y 1.9d.

Ingeniería Civil Pag. 21

Page 27: Informe Semestral Fluidos II

Capitulo 3 TIPOS DE DISIPADORES DE ENERGIA: UNSCH

DISIPADORES DE ENERGÍA CON AIREADORES

FIGURA 1.9

3.0.10 Disipadores de energia por chorros difusoresComo se dijo en la sección anterior, una entrada normal de aire no resulta en una eficientedisipación de energía. Este estado sin embargo es dependiente del grado de entrada de aire,porque si el ingreso de aire alcanza un grado donde la corriente de agua es transformada enespray, la disipación de energía puede ser alta, la razón se encuentra en la transformacióndel flujo de agua a un fluido agua-aire, que consiste en una nube de gotas de agua enaire. Estas gotas son fuertemente afectadas por el arrastre de aire, especialmente si sonpequeñas y se mueven a velocidades que son relativamente altas con respecto al medio quelas rodea. Un clásico ejemplo de un chorro difusor es el surtidor mostrado en la figura1.10a aunque es generalmente usado para adorno y no como disipador de energía. Elmismo principio es usado en las válvulas de chorro tipo hondonada y en las válvulas tipo"Howell Bunger" (figuras 1.10b y 1.10c). Estos chorros son intencionalmente sujetos a unafuerte difusión y ellos son generalmente dirigidos horizontalmente y posiblemente en uncuenco disipador, las válvulas tienen el objeto de incrementar la combinación agua-airey convertir el chorro de agua en espray, estos son usualmente colocados en las descargasde fondo en presas. En vertederos, en presas de caída libre y deflectores dispersos deenergía (figura 1.10d) pueden servir como generadores de espray, sin embargo su éxitocomo disipadores de energía es usualmente solo parcial, porque la lámina de agua esgeneralmente demasiado gruesa para ser completamente dispersa durante su trayectoria,la lámina de agua mantiene un núcleo compacto de agua y así una región de energía sindisminución, por lo tanto algunos diseñadores han incrementado la dispersión adicionandoseparadores de flujo sobre la cresta de un dispersor. Como una alternativa para canales

Ingeniería Civil Pag. 22

Page 28: Informe Semestral Fluidos II

Capitulo 3 TIPOS DE DISIPADORES DE ENERGIA: UNSCH

cortos, Lin (1988) sugiere colocar dientes abocinados al final de un vertedero de crestagruesa (figura 1.10e). Adicionalmente,el mecanismo de inducir espray afecta la trayectoriade la lámina de agua, porque ellos consumen energía, lo que reduce la longitud de latrayectoria, este resultado muchas veces es opuesto a lo requerido por el diseñador, queaspira llegar con el chorro lo más lejos posible con la finalidad de evitar daños al pie deuna estructura. Un mecanismo eficiente para transformar chorros de altas velocidades enun espray, es guiar el flujo hacia largos bloques deflectores o a otros obstáculos similares,una de estas soluciones fue descrita por Gerodetti (1985) de acuerdo con la figura 1.10f,esta variante también es aplicada para reducir fuerzas de impacto en la solera.

DISIPADORES DE ENERGÍA POR MEDIO DE CHORROS DIFUSORES

FIGURA 1.10

El salto en Esqui:

Previo a definir este tipo de disipador, es conveniente mencionar, que ha sido uno delos disipadores de energía usados para cumplir los objetivos del presente trabajo deinvestigación. La cuchara del salto en Esquí, es el elemento que dirige el flujo de unvertedero, casa de máquinas u otras, con la finalidad de no ocasionar daños en lasestructuras mencionadas, sino que el aire circundante puede atacar la mayor área posibley mover el impacto erosivo del agua fuera del pie de la estructura. Entre algunos tipos decucharones, tres de ellos se pueden distinguir como más importante:

Ingeniería Civil Pag. 23

Page 29: Informe Semestral Fluidos II

Capitulo 3 TIPOS DE DISIPADORES DE ENERGIA: UNSCH

• Cucharón longitudinal

• Dispersor de energía (flip Bcket)

• Deflector

El cucharon longitudinal:

Tiene normalmente forma de arco circular y su radio es generalmente entre 10m y 20m ocinco veces el calado inmediatamente aguas arriba.

El dispersor de energía:

Se caracteriza por la sección transversal que varia en la dirección del flujo, este capaz decambiar la dirección del flujo tanto transversal como longitudinalmente.

El deflector:

Consiste en una simple superficie curva con un lado alto y una pendiente al final que dirigeel flujo lejos de la salida.

3.0.11 Disipadores de energía con bloques de impacto o con umbralesUna parte muy importante en el diseño de los disipadores de energía son medidas para laestabilización del resalto hidráulico, con la finalidad que este resalto no se salga de loslímites del lecho disipador o ya sea forzar un lecho de menor tamaño. Entre las medidasmás comunes utilizados para la estabilización del resalto hidráulico se encuentran losbloques de impacto, que se colocan dentro del colchón amortiguador en una o más filas.El efecto de estos bloques se fundamenta en una fuerza adicional que se debe añadir a lasfuerzas exteriores actuantes sobre el volumen de control en la ecuación del impulso.

Ingeniería Civil Pag. 24

Page 30: Informe Semestral Fluidos II

Capitulo 3 TIPOS DE DISIPADORES DE ENERGIA: UNSCH

3.0.12 Disipadores de energia por escalones

Escalon Negativo

Otra de las formas de estabilización del resalto hidráulico es profundizar el fondo delcanal aguas arriba del colchón disipador, esta medida también es útil en casos de flujosasimétricos y con presencia de ondas, ya que permite fijar el pie del remolino en toda lasección transversal.

Escalon Positivo

El escalón positivo puede ubicarse al final y dentro del resalto, en el primer casono sirvecomo medio para estabilizar el resalto hidráulico, y en el segundo caso tiene efectossimilares al del escalón negativo. Cuando se ubica al final del resalto hidráulico, su objetivoprincipal es reducir el calado de aguas abajo, también se lo usa frecuentemente para evitarel ingreso de material del fondo en el cuenco disipador, es necesario considerar que unescalón muy alto puede ocasionar socavación aguas abajo.

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Page 31: Informe Semestral Fluidos II

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UNSCH

Newton’s Second Law

Ferdinand P. Beer Late of Lehigh University

E.

Russell

Johnston, Jr.

University of Connecticut

DINÁMICA:

PARA LOS INDICES

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PARA EL CAPITULO

INGENIERÍA CIVIL - UNSCH

DINÁMICA (IC -246)

FONDO DE HOJA

Contents

CHAPTER 1 INTRODUCTION /11.1 Note to Students /3

1.2 Scope of Fluid Mechanics /41.3 Definitio of a Fluid /41.4 Basic Equations /51.5 Methods of Analysis /6

System and Control Volume /7Differential versus Integral Approach /8Methods of Description /9

1.6 Dimensions and Units /11Systems of Dimensions /11Systems of Units /11Preferred Systems of Units /13Dimensional Consistency and “Engineering” Equations /14

1.7 Analysis of Experimental Error /151.8 Summary /16

Problems /17

CHAPTER 2 FUNDAMENTAL CONCEPTS /202.1 Fluid as a Continuum /21

2.2 Velocity Field /23One-, Two-, and Three-Dimensional Flows /24Timelines, Pathlines, Streaklines, and Streamlines /25

2.3 Stress Field /292.4 Viscosity /31

Newtonian Fluid /32Non-Newtonian Fluids /34

2.5 Surface Tension /362.6 Description and Classificatio of Fluid Motions /38

Viscous and Inviscid Flows /38Laminar and Turbulent Flows /41Compressible and Incompressible Flows /42Internal and External Flows /43

2.7 Summary and Useful Equations /44

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Postgraduate Studywww.nottingham.ac.uk/civil

MSc Engineering: Civil Environmental Fluid Mechanics Civil engineering problems require the application of analytical, decision-making and critical thinking skills, this course will provide students with the technical knowledge needed to develop these skills.

This course allows for specialisation in the field of environmental fluid

mechanics. An introduction into the broader civil engineering subjects

will then be accompanied with a choice of specialised optional

modules of your chosen theme.

The course will concentrate on the technical knowledge and skills that

are most relevant to the field of environmental fluid mechanics for the

award of MSc in Civil Engineering: Environmental Fluid Mechanics.

Students will develop:

• the ability to communicate ideas effectively in written reports,

verbally and by means of presentations to groups

• the ability to exercise original thought

• the ability to plan and undertake an individual project

• interpersonal, communication and professional skills

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Las fuerzas en elelemento fluido de-bidas a la presióndeben sumarse a lafuerza de flotaciónde igual magnitudal peso delelemento.

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ISSN 1439-9776

published by

Fluid Power Net International - FPNI

http://fluid.pwer.net

International Journal

of Fluid PowerVolume 9 Number 2 August 2008

Fundamentals of

Fluid Mechanics

Munson Okiishi Huebsch Rothmayer

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ISSN 1439-9776

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Fluid Power Net International - FPNI

http://fluid.pwer.net

International Journal

of Fluid PowerVolume 9 Number 2 August 2008

MECÁNICA DE

FLUIDOS I

Capítulo

Impacto AmbientalImpacto Ambiental 1

2

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4

44

Es una preocupación y a la vez un boom el tema de impacto ambiental que se genera encualquier tipo de proyectos que se construyen para el beneficio y uso de una poblaciónnecesitada ya sea una pequeña comunidad o una metrópoli, pues el análisis que se generase debe hacer desde dos puntos de vista. El Impacto Ambiental Positivo y el ImpactoAmbiental Negativo, las cuales van generando Impacto que puede ser beneficiosos paraun cierto sector y perniciosos para otros, pues en este ámbito de la construcción vamos aanalizar los diferentes aspectos de beneficio y a las vez cuan perjudicial fuera cunado no secumplen con ciertos aspectos técnicos

Por otra parte, vemos que el impacto que se genera depende en demasía desde su puntode vista técnico, mas no solo de un proyecto en sí, por que todo proyecto que se ejecuta sicumple con todos los parámetros de la construcción y de acuerdo al Reglamento Nacionalde Edificaciones y de acuerdo a las normas técnicas que existen en nuestro país, estasno afectan en lo absoluto al medio ambiente mas bien beneficia a toda una comunidad ouna nación, pero también podemos observar que si no se cumplen los parámetros en suconstrucción, en vez de ser beneficioso nos puede causar problemas que pueden arraigardéficit en la dinámica de la economía local y nacional.

4.1 VISIONES PREVIAS1. Se debe analizar Cuando se reduce rápidamente la velocidad del flujo sobre un pisoprotegido hasta un punto donde el flujo pierde su capacidad de socavar el lecho aguasabajo y como ésta afecta las estructuras que son los canales.

2. ¿ Que genera si no se hace un buen revestimiento o un adecuado diseño geométrico enlos canales?

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Capitulo 4 Impacto Ambiental UNSCH

3. Pues la respuesta es la que en adelante llamaremos impacto ambiental positivo e impactoambiental negativo.

Analicemos que pasa si no utilizamos algún método para disipar una energía, que se generaen el medio donde discurre el agua ya se a un canal natural o artificial, qué pasa con tantaenergía que se produce de que manera se comporta en el medio ambiente, como afectaesto a la naturaleza y al hombre.Se puede observar que el agua que fluye por una determinada zona se carga mientras mascaudal tenga como se puede ver

Esta carga generada al pasar por este determinado superficie deja daños en las estructurasexistentes las cuales son perjudiciales la que la energía acumulada hace su trabajo de socavarque se haya generado con la combinación de efectos como vorticidad y una turbulenciaque arrastra materiales y deja afectada las estructuras.

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Capitulo 4 Impacto Ambiental UNSCH

como también afecta afecta estructuras aledañas como carreteras cultivos y todo lo queencuentra a su paso

Si los ingenieros dejamos que la naturaleza actúe por su cuenta pues los resultado seráncatastróficos y muy dañinos para el hombre.

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Capitulo 4 Impacto Ambiental UNSCH

4.1.1 IMPACTO POSITIVOTodo proyecto con un buen estudio de pre factibilidad y con los diseños adecuados permitenque los proyectos sean en beneficio de la humanidad, haciendo que las metrópolis crezcany se tengan todas la comodidades que una requiere con tan solo aplastar un botón o abrirun grifo. Para esto se necesita el buen desarrollo de los proyecto y trabajos minuciosos deestudio técnico calificado estos trabajos mejoran la agricultura de los mas necesitados.

una obra perfecta de ingeniería debe perdurar a pesar de los años para ello se debe diseñarcon previsiones para que no colapse por efectos del los flujos y el efecto de las turbulencias.

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Capitulo 4 Impacto Ambiental UNSCH

4.1.2 IMPACTO NEGATIVOCuando se deja que la naturaleza actúe por su cuenta o los trabajos de ingeniería seejecutan sin previo estudio el daño que se genera a causa del flujo de la torrente es muyperjudicial en la agricultura

cuando no se colocan disipadores o protectores en las bases de los puentes esto es lo quepasa a lo largo de los años de servicio de la estructura edificada

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CONCLU SIONESConclusión 01La importancia de conocer el comportamiento del agua en canales.

Conclusión 02La importancia de los disipadores de energía en las estructuras hidraúlicas.

Conclusión 03Los diferentes modelos que podemos hacer para tener nuestro disipador de energíadependiendo del tipo de obra a realizarse.

Conclusión 04El impacto ambiental que generan estas construcciones hidraúlicas.

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BIBLIOGRAFÍA

Hidráulica de Canales Abiertos. Ven Te Chow. Editorial Mc Graw –Hill.

Apuntes de Hidráulica II. Gilberto Sotelo Ávila. Facultad de Ingeniería UNAM.

AMADOR , A. Cornportamiento hidraulico de los aliviaderos en presas de hormigbncompactadb. Barcelona: PhD, UPC, 2005.

NAUDASCHER, (2001), Hidráulica de Canales, Segunda Reimpresión, Limusa

FUENTES AGUILAR, Ramón, (2002), “Modelos Hidráulicos: Teoría y Diseño”.

http : //fluidos.eia.edu.co/obrashidraulicas/articulos/disipadores/disipadoresdeenergia.html

http : //www.academia.edu/5328500/EDIFICACIONESCONDISIPADORESDEENERGIA

http : //es.slideshare.net/RafaelLopez15/disipadores