Flujo en canales abiertos

1. REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA EDUCACION
I.U.P. SANTIAGO MARIÑO
MECANICA DE LOS FLUIDOS II
REALIZADO POR:
MAIRYM AGUILAR
MARACAIBO, NOVIEMBRE DE 2015

2. Un canal abierto es una conducción
abierta a la atmósfera en el que el
líquido fluye sometido a la presión
atmosférica y movido por la pendiente
del propio canal, los canales estarán
definidos por una serie de
características que le son propias,.
En un canal abierto el liquido que fluye
tiene superficie libre y sobre él no actúa
otra presión que la debida a su propio
peso y a la presión atmosférica.

3. Calado (y).- Es la altura de la lámina de agua en una sección transversal.
Hay que medirlo respecto aun plano de referencia que usualmente se
coloca en la cota inferior de la sección transversal o solera.
Anchura superior de la sección (B).- Se define como la anchura de la
superficie libre de fluido en el canal.
Calado medio (ym).- Es el cociente entre el área mojada del canal y la
anchura superior de la sección (A/B).
Área mojada (A).- Es la superficie de la sección transversal que ocupa el
agua.
Perímetro mojado. Es la longitud de la pared del canal que está en
contacto con el agua.
Radio hidráulico (Rh).- Es la relación existente entre el área mojada y
el perímetro mojado del canal.
Pendiente del canal (I).- Se define como la altura que desciende el canal
por metro lineal, se puede expresar en % y en tanto por mil.

4. Un canal con una sección transversal invariable y una pendiente de
fondo constante se conoce como canal prismático. De otra manera, el
canal es no prismático; un ejemplo es un vertedero de ancho variable y
alineamiento curvo. Al menos que se indique específicamente los
canales descritos son prismáticos.
El trapecio es la forma mas común para canales con bancas en tierra
sin recubrimiento, debido a que proveen las pendientes necesarias para
la estabilidad.
El rectángulo y el triangulo son casos especiales del trapecio. Debido a
que el rectángulo tiene lados verticales, por lo general se utiliza para
canales construidos para materiales estables, como mampostería, roca,
metal o madera. La sección transversal solo se utiliza para pequeñas
asqueas, cunetas o a lo largo de carreteras y trabajos de laboratorio. El
círculo es la sección más común para alcantarillados y alcantarillas de
tamaño pequeño y mediano.

5. Son todos los tipos de agua que existen de
manera natural en la tierra, lo cuales varían
en tamaño desde pequeños arroyuelos en
zonas montañosas hasta quebradas,
arroyos, ríos pequeños y grandes, y
estuarios de mareas. Las corrientes
subterráneas que transportan agua con una
superficie libre también son consideradas
como canales abiertos naturales.
Las propiedades hidráulicas de un canal
natural por lo general son muy irregulares.
En algunos casos pueden hacerse
suposiciones empíricas razonablemente
consistente en las observaciones y
experiencias reales, de tal modo que las
condiciones de flujo en estos canales se
vuelvan manejables mediante tratamiento

6. Son aquellos construidos o desarrollados
mediante el esfuerzo humano: canales de
navegación, canales de centrales
hidroeléctricas, canales y canaletas de
irrigación, cunetas de drenaje, vertederos,
canales de desborde, canaletas de madera,
cunetas a lo largo de carreteras etc, así
como canales de modelos de laboratorio
con propósitos experimentales las
propiedades hidráulicas de estos canales
pueden ser controladas hasta un nivel
deseado o diseñadas para cumplir unos
requisitos determinados.
La aplicación de las teorías hidráulicas a
canales artificiales producirán, por tanto,
resultados bastantes similares a las
condiciones reales y, por consiguiente, son

7. Se dice que el flujo en un canal abierto es permanente si la
profundidad del flujo no cambia o puede suponerse constante
durante el intervalo de tiempo en consideración.
Es cuando la profundidad no cambia con el tiempo.
En la mayor parte de canales abiertos es necesario estudiar el
comportamiento del flujo solo bajo condiciones permanentes. Sin
embargo el cambio en la condición del flujo con respecto al tiempo es
importante, el flujo debe tratarse como no permante, el nivel de flujo
cambia de manera instantánea a medida que las ondas pasan y el
elemento tiempo se vuelve de vital importancia para el diseño de
estructuras de control. Para cualquier flujo, el caudal Q en una
sección del canal se expresa por Q=VA. Donde V es la velocidad
media y A es el área de la sección transversal de flujo perpendicular a
la dirección de este, debido a que la velocidad media esta definida
como el caudal divido por el área de la sección transversal.

8. Se dice que el flujo en canales abiertos es uniforme si la profundidad
del flujo es la misma en cada sección del canal. Un flujo uniforme puede
ser PERMANENTE O NO PERMANENTE, según cambie o no la
profundidad con respecto al tiempo. El flujo uniforme permanente es el
tipo de flujo fundamental que se considera en la hidráulica de canales
abiertos. La profundidad del flujo no cambia durante el intervalo de
tiempo bajo consideración. El establecimiento de un flujo uniforme no
permanente requeriría que la superficie del agua fluctuara de un tiempo
a otro pero permaneciendo paralela al fondo del canal.
Es cuando la profundidad de flujo cambia a lo largo del canal. El flujo
variado puede ser PERMANENTE O NO PERMANENTE.
El flujo variado puede clasificarse además como rápidamente varia o
gradualmente variado. El flujo es rápidamente variado si la profundidad
del agua cambia de manera abrupta en distancias compartidamente
cortas; de otro modo, es gradualmente variado. Un flujo rápidamente
variado también se conoce como fenómeno local; algunos ejemplos son

9. La masa entra al volumen es igual a
la que sale

10. La energía por unidad de peso (carga
hidráulica)
en cualquier punto es la suma de:
Carga de presión
Carga de posición
Carga de velocidad

11. Para un punto cualquiera se tendrá
Al ser la presión hidrostática:

12. Para un punto cualquiera se tendrá
Al ser la presión hidrostática:
Se obtiene:

13. La fórmula de Chezy nos permite obtener la velocidad del fluido en
régimen permanente en canales:
En donde:
V: Velocidad media del agua en m/s
R: Radio hidráulico
S: pendiente longitudinal de la solera o fondo del canal en m/m
C es un coeficiente que se puede calcular mediante las fórmulas de
Bazin:
Donde n y m son coeficientes que aparecen tabulados y que dependen
del material con el que esté construido el canal.

14. Es una evolución de la fórmula de Chézy para el cálculo de la
velocidad del agua en canales abiertos y tuberías, propuesta por el
ingeniero irlandés Robert Manning, en 1889:
Donde:
S: pendiente en tanto por 1 del canal.
R: Radio hidráulico
n: es el coeficiente de rugosidad de Manning que depende del material
con el que se halla construido el canal y se encuentra tabulado

15. Se define el calado crítico de un canal como aquel que hace mínima la
energía específica del mismo, derivando la expresión anterior e
igualando a cero obtenemos la siguiente expresión muy útil para
poder calcular el caudal en un canal cuando conocemos el calado
crítico.
Esta fórmula nos permite además calcular el caudal que se descarga a
través de un vertedero de cualquier forma.
El número de Froude es un número adimensional que nos indica el
régimen en el que se encuentra un fluido en el interior de un canal.
Dicho número se puede calcular como:

16. El resalto hidráulico se produce cuando en un régimen rápidamente
variado, la velocidad varía considerablemente en un intervalo espacial
relativamente corto, que ocurre, por ejemplo cuando tenemos un
dique de contención después del cual el agua cae a una velocidad
mucho mayor que la que tenía en su caída libre por el canal. Un resalto
hidráulico lleva asociado una pérdida de energía y se produce siempre
que se pasa de un flujo de río a un flujo torrencial.
En un resalto hidráulico, el calado aumentará hasta llegar a una altura
crítica en el cual la energía será mínima, antes de llegar a esta altura
crítica, se produce el fenómeno denominado resalto hidráulico, el cual,
se produce a lo largo de una longitud a la que llamaremos LR en la
que se produce una pérdida de carga que llamaremos ∆HR

17. En un canal de sección transversal rectangular y de 4 metros de
ancho existe una compuerta. Aguas debajo de dicha compuerta la
pendiente del canal es del 0,8 por mil, está recubierta por hormigón
con un coeficiente de Manning de 0,014 y el ancho se mantiene
constante. Si el resalto que se produce es perfecto y se sabe que el
calado del río conjugado es de 4,08 m.
Calcular:
a) El caudal circulante y altura del torrente conjugado.
b) Coeficiente de descarga de la compuerta de fondo.

18. aplicaremos la expresión de Manning para determinar el calado del
canal,
El área viene dada por:,
El radio hidráulico será el cociente entre el área mojada y el perímetro
mojado, el área ya está calculada, el perímetro mojado lo calcularemos
como:
El radio hidráulico será:
Se puede representar el área transversal del canal:

19. Sustituyendo en la fórmula de Manning, nos da un caudal de
Donde hemos utilizado que si el resalto es perfecto la altura del río
conjugado y la altura del rio real son iguales
Ya tenemos y2=4,08 m, pero ahora nos hace falta calcular la otra altura
conjugada, es decir y1, que calcularemos utilizando la expresión que
relaciona dichas alturas, es decir:
En esta expresión conocemos todos los parámetros excepto el
número de Froude del tramo 2 que vamos a calcular a continuación:
Ahora calculamos la altura conjugada y1

20. b. Para calcular el coeficiente de descarga, usaremos la siguiente
expresión:
tenemos que calcular a que es la distancia desde la solera del canal hasta
el principio de la compuerta:
Ahora, para calcular el coeficiente de velocidad, usaremos que: