HIDRÁULICA

Parte de la física que estudia el comportamiento mecánico del

agua superficial o subterránea

Carácter pluridisciplinar

RELACIÓN CON OTRAS CIENCIAS

Hidrología (aguas continentales)

Hidrometeorología (lluvia)

Hidrografía (descripción de los mares y corrientes de agua)

Ingeniería ambiental

HIDRÁULICA

Sistemas de unidades utilizados (Mecánica Clásica)

Propiedades del agua:

Densidad y peso específico

Coeficiente de compresibilidad

Viscosidad

Tensión de saturación del vapor de agua

Celeridad de las ondas elásticas

HIDRÁULICA

Densidad:

ρ = 1.000 kg masa/ m3 (Sistema Internacional)

Peso específico:

γ = 9.810 N / m3 10.000 N / m3 (Sistema Internacional)

Coeficiente de compresibilidad

= - (dV/V) / dp

Módulo de elasticidad volumétrico:

Ke = - dp / (dV/V)

Ke = 21,39 x 108 N / m2 para 20ºCPrácticamente invariable con la temperatura y con la presión

HIDRÁULICA

Viscosidad

= (dv/dy)

En fluidos newtonianos la viscosidad absoluta es independientegradiente de velocidad (velocidad de deformación angular (dv/dy)) ysolo depende de la temperatura y muy poco de la presión (AGUA)

Viscosidad cinemática

= / 1,57 x 10-6 m2/s para una temperatura de 4ºC y 1,01 x 10-6 para 20ºC

Tensión de saturación del vapor de agua

A 20ºC 0,238 m.c.a.

Celeridad de las ondas elásticas: Variable

HIDRÁULICA

Consideraciones a tener en cuenta en problemas hidráulicos(Formulación físico-matemática, coeficientes experimentales)

a) Comparación de condiciones generales y particulares

b) Aplicación del coeficiente empírico adecuado

c) Utilización de ábacos (condicionada por b)

COEFICIENTES EXPERIMENTALES

De fricción Darcy-Weisbach (f). (Se aplica a tuberías en presión)

De rugosidad de Manning (n). (Cauces abiertos, conductosparcialmente llenos)

HIDRÁULICA

COEFICIENTES EXPERIMENTALES

De Manning-Strickler (M). (Tiene en cuenta la rugosidad de lasparedes de la conducción)

De rugosidad de Bazin (ã). (Mismos casos que Manning).

De rugosidad de Chezzy (C). (Mismos casos que los anteriores).

Coeficiente de contracción (c). (Estrechamiento en la sección de

paso del agua).

Coeficiente de Weisbach (k). (Apertura o cierre de válvulas,compuertas).

HIDRÁULICA

COEFICIENTES EXPERIMENTALES

Coeficiente de pérdidas en bifurcaciones (k). (Tiene en cuenta elángulo con el que se produzca la bifurcación.

Coeficiente de Saint-Venant para pérdidas en codos y curvas(k). (Depende del ángulo que formen las dos alineaciones de latubería).

Coeficiente para cambio de sección. (Ensanches yestrechamientos de tuberías).

Coeficiente de pérdida de carga en el desagüe.

INGENIERÍA HIDRÁULICAAPLICACIONES

Aprovechamientos hidroeléctricos

Aprovechamientos industriales

Aprovechamientos sanitarios (*)

Aprovechamientos agrícolas

OBRAS HIDRÁULICAS

Captación y regulación (Presas, azudes, pozos)

Transporte

Uso (Centrales hidroeléctricas, Redes)

Obras de uso múltiple

INGENIERÍA HIDRÁULICAUSOS DEL AGUA

Utilización integral de una cuenca hidrográfica y una unidad hidrogeológica

USOS COMPATIBLES

USOS COMPLEMENTARIOS

USOS ALTERNATIVOS O INCOMPATIBLES

(La legislación prevé una preferencia según la repercusión social: primero

abastecimientos o poblaciones, segundo riegos, tercero energía y usosindustriales).

USOS DEL AGUA

Consuntivos

No Consuntivos

INGENIERÍA HIDRÁULICAUSOS DEL AGUA

USOS NO CONSUNTIVOS

HIDROELÉCTRICOS (Retorno 100 % sin alteración de la calidad)

NAVEGACIÓN (Retorno 100% posible alteración de la calidad)

RECREATIVOS

USOS CONSUNTIVOS

RIEGO (Retorna 0-50% con retraso y en puntos no definidos)

ABASTECIMIENTOS (Retorna 65-70% sin calidad)

RECREATIVOS

INGENIERÍA HIDRÁULICAEFECTOS DE LAS OBRAS HIDRÁULICAS

UNA OBRA HIDRÁULICA SIGNIFICA POR SÍ UNA ALTERACIÓN DELA NATURALEZA

PERTURBACIÓN EN EL PAISAJE

MODIFICACIÓN DE LAS CONDICIONES DEL HÁBITAT FLUVIALQUE OCASIONAN CAMBIOS EN LA FLORA Y FAUNACIRCUNDANTE

INGENIERÍA HIDRÁULICAETAPAS DEL DESARROLLO HIDRÁULICO

Desarrollo Inconexo o “De Oportunidad” Es el período durante el cual se considera que hay agua sobrada para las

necesidades. No se cuida su utilización. Según la bibliografía se considera que esta fase dura hasta utilizar el 50% de los recursos disponibles.

Desarrollo IntegralEl agua ya no es sobrada para las necesidades. Ello obliga a prever y ordenar

su uso óptimo. Las cuencas hidrográficas y las unidades hidrogeológicas se estudian como un conjunto y se proyectan las obras de forma que se

obtengan usos variados y con la mejor utilización total, sacando el máximo partido posible a las obras de regulación. Esta etapa suele durar

hasta la utilización de un 80% de los recursos naturales.

INGENIERÍA HIDRÁULICAETAPAS DEL DESARROLLO HIDRÁULICO

Superaprovechamiento

Se sobrepasa la utilización de alrededor del 80% de los recursos naturales. Preciso extremar aún más la ordenación del uso del agua y la

coordinación entre recursos y usos. Nos aproximamos al límite de posibilidades. Para ello se reforman las obras existentes y se recurre a los

trasvases de cuencas, a la desalinización del agua del mar, a la depuración de las aguas, a la recarga de acuíferos, a controlar la intrusión marina en los acuíferos. Por todos estos motivos esta etapa se llama también de

aprovechamiento integral.

HIDROSTÁTICA

Parte de la hidráulica que estudia el comportamiento del agua en

estado de reposo

PRESIÓNComponente normal de la fuerza que actúa sobre la superficie de

un determinado volumen de agua por unidad de área del mismo

p = F / S

p = x g x h

pabs = prelativa + pabsoluta

HIDROSTÁTICA

PRINCIPIO DE PASCAL

Si se ejerce una presión cualquiera en la superficie de un líquido en equilibrio, esta presión se

transmite íntegramente en todos los sentidos es

decir, a todas las moléculas del líquido

PRESIÓN SOBRE UNA PARED PLANA

La presión que los líquidos ejercen contra una pared plana, es siempre normal a ella, cualquiera que

sea su orientación

HIDROSTÁTICA

EMPUJE

Fuerza total que está soportando una superficie de contorno, forma y dimensiones determinados

PRESIÓN MEDIALa Presión Media se obtiene dividiendo la presión total o

empuje, por el área de la superficie estudiada

HIDROSTÁTICA

PAREDES PLANAS SOPORTANDO PRESIÓN HIDRÁULICA

Un cuerpo que se halla totalmente sumergido tiene todos los puntos de su superficie externa sometidos a presión hidrostática. El cuerpo trabajará mecánicamente a

compresión

Si debido a la disposición constructiva, el cuerpo plano sólo soporta presión por una cara (compuertas planas o muros

en depósitos), la única presión actuante someterá a la compuerta a esfuerzos de flexión y corte: ha de resistir

como una viga o como una placa

HIDROSTÁTICA

FLOTACIÓN

Principio de Arquímedes

Todo cuerpo inmóvil sumergido total o parcialmente en un fluido, sufre un empuje de abajo arriba, equivalente al peso del fluido desalojado. Este empuje se aplica en el centro de gravedad del volumen del fluido desalojado.

Condiciones de equilibrio de los cuerpos flotantes

Si se sumerge en el agua un cuerpo de densidad inferior a ella, éste se elevará hacia la superficie hasta quedar flotando en una posición de equilibrio. La subpresión (flotando) será igual al peso del líquido

desplazado, y actuará en el centro de gravedad del volumen desplazado, punto llamado centro de carena.

Se representa por G el c. de g. del cuerpo flotante, y por C el c. de carena.

HIDROSTÁTICA

FLOTACIÓN

Recíproco del Principio de Arquímedes

Todo cuerpo sumergido en un líquido pesado, en equilibrio estático, ejerce sobre el líquido una presión vertical de

arriba abajo, igual al peso del volumen de líquido desalojado

HIDRODINÁMICA

Parte de la hidráulica que estudia el comportamiento mecánico del agua en

movimiento

CLASIFICACIÓN DE LOS FLUJOSSegún las variaciones de las magnitudes hidráulicas (veloc.media y presión)

en el tiempo y el espacio (eje de la conducción).

• Régimen permanente (Q constante)

Régimen permanente uniforme (V=cte en tiempo y espacio)

Régimen permanente variado (V=cte en tiempo, no en espacio)

- - Gradualmente variado

- Bruscamente variado

• Régimen variable o transitorio (Q variable, V variable)

Golpe de ariete / Oscilación en masa

HIDRODINÁMICA

ECUACIÓN DE CONTINUIDADExpresión matemática consecuencia del principio de conservación de masa:

Dado un tubo de fluido cualquiera, por unidad de tiempo ingresa en él lamisma cantidad de fluido en un extremo que sale por el otro extremo.

S1 v1 = S2 v2

Caudal = Sección x velocidad

Variaciones de sección en tubos implicarán variaciones en la velocidad del agua

HIDRODINÁMICA

NÚMERO DE REYNOLDSClasificación de las corrientes de agua generadas por el grado de turbulencia:

Corrientes laminares

Las partículas del líquido recorren trayectorias rectas y paralelas entre sí

Corrientes turbulentas

Movimiento desigual de cada partícula (Pérdidas de energía)

Movimiento laminar < velocidad crítica < Movimiento turbulento

La velocidad crítica depende del diámetro del tubo y del valor de la densidad y viscosidad del fluido.

Para cualquier fluido se presentan las condiciones críticas cuando el llamado número de Reynolds, que es adimensional, supera a un valor experimental

del orden de 2.300

HIDRODINÁMICA

NÚMERO DE REYNOLDS

Re = * V * D /

Dado que = /

El número de Reynolds en función de la viscosidad cinemática será:

Re = V * D /

Por tanto la velocidad crítica se obtiene

Re = 2.300 = Vc * Dc /

HIDRODINÁMICA

TEOREMA DE BERNOUILLI

Energía del Agua

Potencial: Por su altura sobre el nivel del mar

Ep = P * z

Cinética: Por su velocidad

Ec = m * v2 / 2 = P * v2 / 2 g

De presión: Por el peso del agua que tiene encima, o sea, por suprofundidad respecto del nivel libre superior

Epr = p * s * e = P * p /

Habiendo tenido en cuenta que:

Peso = P = Volumen * peso específico = S * e * ; e = P /(S * )

HIDRODINÁMICA

TEOREMA DE BERNOUILLI

Energía del Agua

Las energías calorífica y elástica pueden despreciarse en hidráulica

Etotal = Epotencial + Ecinética + Epresión

Energía por unidad de peso:

Potencial: Ep = P * z E = z

Cinética: Ec = P * v2 / 2 g E = v2 / 2 g

De presión: Epr = P * p / E = p /

HIDRODINÁMICA

TEOREMA DE BERNOUILLI

Es una relación matemática de las condiciones energéticas que definen

una corriente permanente de un líquido. Para llegar al teorema se parte del

principio de la conservación de la energía mecánica en un sistema cerrado,

utilizándose en este caso el concepto de energía por unidad de peso.

Energía inicial = energía en cualquier instante = cte

zo + po / + vo2 / (2 * g) = zn + pn / + vn

2 / (2 * g) = constante

HIDRODINÁMICA

CARGA HIDRÁULICA

La carga hidráulica es la energía por unidad de peso:

Carga hidráulica = h = z + p / + v2 / (2 * g)

Plano de carga o carga hidráulica es el nivel de energía más alto de la

conducción, el cual se encuentra siempre en el origen, debido a las pérdidas

de carga que sufre el agua en su desplazamiento.

La diferencia, constante existente entre el plano de carga y plano de

comparación se denomina altura de Bernouilli HB

HIDRODINÁMICA

PÉRDIDAS DE CARGAEnergía inicial = Energía en un estado posterior + Eperdida

Pérdidas h:

• Debidas al rozamiento ordinario a lo largo de la conducción

• Producidas en las singularidades

hB = J1 * L1 + J2 * L2 + ……+ Jn * Ln + hsingularidad = (J * L) + hsingularidad

TEOREMA DE BERNOUILLI GENERALIZADO

zo + po / + vo2 / (2 * g) = zn + pn / + vn

2 / (2 * g) + h = constante

HIDRODINÁMICA

LINEA PIEZOMÉTRICAEs una línea ideal representativa de la altura o nivel de presión

existente en cada punto de la conducción

LINEA DE ENERGÍAEs una línea ideal representativa del nivel de energía real, es decir, el

plano de carga particular que existe en cada punto.

Se obtiene restando del plano de carga inicial, el valor de las pérdidas de carga habidas por toda causa entre el origen y el punto considerado.

Línea Piezométrica = h = z + p /

Conducciones por gravedad: h = z

Conducciones a presión: h = z + p /

HIDRODINÁMICA

Entre la línea piezométrica y la línea de energía, queda, en cualquier

punto, una distancia o altura vertical correspondiente a la

velocidad con que fluye el punto líquido considerado: es el

sumando V2 / (2 * g) de la suma de Bernouilli.

RÉGIMEN PERMANENTE A SECCIÓN CONSTANTE

Las líneas piezométricas y de energía son paralelas: las separa en todo

momento la altura representativa de una velocidad constante.

APARICIÓN DE SINGULARIDAD SIN CAMBIO DE DIÁMETRO

Bajada brusca de ambas líneas, que equivale a la pérdida de carga

prácticamente instantánea por la singularidad

CAMBIO DE DIÁMETRO

Disminución de sección: La línea piezométrica baja mucho más que la deenergía. Separación de las líneas

Aumento de sección: Acercamiento de las líneas

HIDRODINÁMICA

El eje hidráulico de una conducción cerrada da las alturas geométricas o cotas z de cada punto representativo de la conducción.

El eje hidráulico de una corriente abierta (canal), es de muy distinta naturaleza porque equivale a la línea piezométrica (nivel libre).

La coincidencia entre la línea piezométrica y la línea de energía sólo se produce en condiciones hidrostáticas

zA + pA / = zB + pB /

HIDRODINÁMICA

NIVEL FREÁTICO

Ccncepto ligado a las aguas subterráneas.

El nivel freático es la superficie que separa la zona saturada de agua de la no saturada de agua en un medio poroso y por tanto se

encuentra siempre a la presión atmosférica.

Este concepto sólo se utiliza cuando nos encontramos con acuíferos libres, pues son los únicos en los que la presión de este nivel es la

atmosférica.

En otro tipo de almacenamiento de aguas subterráneas se tiene que hablar de nivel piezométrico y no freático, pues la presión de la

superficie libre es distinta de la atmosférica.