16.- flujo variado
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Curso: Hidráulica General
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Profesor:Profesor: Carlos GarridoCarlos Garrido StappungStappung
Ing. Civil Ms. HidrologíaIng. Civil Ms. Hidrología
Escuela de Construcción CivilFacultad de Ingeniería
Santiago, año 2010Santiago, año 2010
CONDUCCIONES ENCONDUCCIONES EN
FLUJO LIBREFLUJO LIBRE
Curso:Curso:
Hidráulica GeneralHidráulica General
CanalCanal de Corintode CorintoGreciaGrecia
Curso: Hidráulica General
2
Referencia
Aguas Abajo
Aguas Arriba
Corresponde al escurrimiento que tiende a producirse
cuando el canal presenta variaciones en su trazado.
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 comoRápidamenteRápidamente VariadoVariado oo GradualmenteGradualmente VariadoVariado.
Flujo VariadoFlujo Variado
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Referencia
Aguas Arriba
LaLa EnergíaEnergía dede CanalesCanales
Dado un canal que escurre en régimen permanente y con flujo uniforme:
y1
y2
z1 z2
Planteando Bernoullí entre las dos secciones de escurrimiento definidas por y1 e y2
B1 = B2 + Pérdidas (Fricción + Locales)
⇒
g
v y z B 2
2
1
111 ++=
g
v y z B2
2
2
222 ++=
Para condiciones de régimen permanente y flujo uniforme, la pérdida de energíacorresponde sólo a pérdidas de energía potencial, luego se tiene que:
Ω = Pérdidas de Energía = z1 – z2
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ΩΩV12/2g
V22/2g
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Referencia
Aguas Abajo
Aguas Arriba
Angostamiento brusco de un canal rectangular
Al utilizar la ecuación de energía se puede demostrar que al disminuir el ancho:
El río de deprime
El torrente se peralta
Una disminución severa del ancho tendería a producir escurrimiento crítico.
Variaciones del fondo del canal (gradas)
Se debe plantear la conservación de la energía usando la ecuación:
E1 = E2 + a para gradas de subida
E1 + a = E2 para gradas de bajada
Donde a es la altura de la grada. Es posible demostrar el siguiente resultado:
Para gradas de subida:
El torrente se peralta
El río se deprime
Si la grada es suficientemente alta, el río puede pasar a torrente
Para gradas de bajada:
El torrente se deprime
El río se peralta
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Referencia
Aguas Abajo
Aguas Arriba
Curso: Hidráulica General
Escurrimiento RíoDepende de Aguas Abajo
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Referencia
Aguas Abajo
Aguas Arriba
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Escurrimiento Torrente
Depende de Aguas Arriba
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Referencia
Aguas Abajo
Aguas Arriba
Corresponde al flujo que se produce cuando hay una
irregularidad, como una compuerta o un vertedero.
En el FRV la profundidad del agua cambia de manera
abrupta en distancias comparativamente cortas; de otro
modo es gradualmente variado.
Un flujo rápidamente variado también se conoce como
fenómeno local; algunos ejemplos son el resalto
hidráulico y la caída hidráulica.
Flujo Rápidamente Variado (FRV)Flujo Rápidamente Variado (FRV)
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Evacuador deEvacuador deCrecidas.Crecidas.
Embalse PuclaroEmbalse PuclaroIV Región ChileIV Región Chile
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Referencia
Aguas Abajo
Aguas Arriba
En general la ecuación que gobierna el FRV es
del tipo:
Donde Cc es un coeficiente particular para cada caso.
Un caso especial de FGV corresponde al
resalto hidráulico que consiste en una
singularidad o alteración del eje hidráulico
gh ACcQ 2**=
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Por Ejemplo: Orificios
Cálculo del Caudal Teórico deSalida de un Orificio
Pared Delgada
Pared Gruesa
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Referencia
Aguas Abajo
Aguas Arriba
Un caso especial de FGV
corresponde al resalto hidráulicoresalto hidráulico
que consiste en una singularidad o
alteración del eje hidráulico
Resalto HidráulicoResalto Hidráulico
Para canal
Rectangular
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Aplicaciones de Resalto Hidráulico Aplicaciones de Resalto Hidráulico
Ejercicio de Resalto HidráulicoEjercicio de Resalto Hidráulico
En un canal rectangular, de pendiente suave, de 4m de ancho se coloca una
compuerta que origina una vena de descarga de 60cm (Y2). El agua se represa
aguas arriba de ella hasta una altura de 1.8m (Y1). Despreciando las pérdidas de
energía, se pide calcular:
a) El caudal que transporta el canal.
b) La altura conjugada del río Yr del resalto (altura del resalto).
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Despreciando las pérdidas, se tiene que E1 = E2
g
vY E
2
2
+=
Entonces:
g
vY
g
vY
22
21
2
2
2
1 +=+
smQ
QY
Q
g Y
QY
g Y
QY
e/35.12
6.19
1
6.042
6.19
1
8.148.1
2
1
242
2
1
141
22
22
=
×
×+=×
×+
×
×+=×
×+
pero v = Q/A
Por lo tanto el caudal que trasporta el canal es de 12.35 m3/s
( )1812
2 2 −×+×= Fr Y
Yr Dh g
v Fr
×=
A
Qv =
5.428.9
146.5
2
22
22
22
=×
=
××
=
×
=
Y Fr
b
Y b g
v Fr
T
A g
v Fr
( ) 52.115.48126.0 2
=−×+×=Yr
smv /146.56.04
35.12=
×=
b) La altura conjugada del resalto, suponiendo que el resalto comienza
justo en la contracción, es decir Y2 = 0.6m, está determinada por.
Entonces:
Finalmente:
Por lo tanto, la altura del resalto es Yr = 1.52m
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En el canal rectangular de la figura, se produce un resalto hidráulico entre las
secciones 1 y 2. Con los datos proporcionados y suponiendo flujo sin
rozamiento, calcúlese:
1.- Profundidad del agua en las secciones 2 y 3.
2.- ¿Que profundidades se tendrían en dichas secciones si no hubiese
resalto?.
3.- Represéntese en ambos casos el diagrama profundidad – energía
especifica.
Ejercicio
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En la figura Nº1 se muestra el perfil longitudinal del fondo de un evacuador de
crecidas de una represa.
La sección Nº1 corresponde al espejo de agua de un embalse de gran tamaño.En la sección Nº2 se ubican las compuertas del evacuador. Bajo estas
compuertas, ocurre crisis y al medir la altura de agua que se produce, esta es de
3m.
En la sección Nº3 el escurrimiento es tal que el número de Froude es menor que 1
y el gráfico velocidad v/s energía es el siguiente:
La altura de agua en la sección Nº4 es de 6 m.
En la sección Nº5 ocurre escurrimiento uniforme, con valores del
coeficiente de manning = 0,014, pendiente = 0,0009 y un angulo
“θ” = 3,81 radianes.
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1
21 3
5
15
4
5
0,000
η0,014
2 3 4
θ 3,1
1
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1. ¿Qué singularidad hidráulica
se aprecia?
2. ¿A qué a tipo de flujo
corresponde?
3. Indique que ocurre con la
energía.
4. Indique a lo menos otras tres
situaciones en las que se podría
presentar este tipo de flujo.
5. Según lo visto en clases,
señale a lo menos dos obras
hidráulicas presentes en la
fotografía.
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Referencia
Aguas Abajo
Aguas Arriba
En régimen subcrítico (Río, Fr < 1) la condiciones de borde están dadas aguasabajo y el escurrimiento tiende a flujo uniforme hacia aguas arriba.
En régimen supercrítico (Torrente, Fr > 1) la condiciones de borde están dadas
aguas arriba y el escurrimiento tiende a flujo uniforme hacia aguas abajo.
Bajo condiciones de régimen subcrítico la velocidad de escurrimiento es menor
que en régimen supercrítico. Por esa razón la mayoría de los canales se
deben diseñar para funcionan en régimen subcrítico.
Analizando el FGV puede demostrarse que existe una combinación limitada de
perf iles hidráulicos que pueden producirse. La solución de la ecuación del
FGV y por consiguiente el cálculo de ejes hidráulicos consiste en combinar los
perfiles de FGV adecuados que permiten conectar las singularidades que se
producen en el canal.
El cálculo se puede realizar por diferentes métodos usando software como
Hcanales o Hec Ras, pero es inútil intentarlo si no se entienden las condiciones
que gobiernan el escurrimientoaguas abajo.
ConceptosConceptos
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Referencia
Aguas Abajo
Aguas Arriba
Tienen la función de conducir el agua desde la captación hasta el campo opredio donde será aplicado a los cultivos. Son obras de ingeniería importantes,
que deben ser cuidadosamente definidas y diseñadas para no provocar daños
al ambiente y para optimizar los recursos hídricos disponibles.
CanalesCanales dede RegadíoRegadío
Están estrechamente vinculados
a las características del terreno,
generalmente siguen
aproximadamente las curvas de
nivel de este, descendiendo
suavemente hacia cotas más
bajas (otorgándole una pendiente
descendente, para que el agua
fluya más rápidamente y se gaste
menos líquido).
Canal Secundario, Sistema FajaCanal Secundario, Sistema Faja MaisanMaisan. IX Región. IX Región
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Referencia
Aguas Abajo
Aguas Arriba
Las dimensiones de los
canales de riego son muy
variadas, y van desde
grandes canales para
transportar varias decenas
de m3/s, los llamados
canales principales o
matrices, hasta pequeños
canales con capacidad para
unos pocos l/s, son losllamados canales
secundarios, terciarios e
intraprediales.
Construcción Canal MatrizConstrucción Canal MatrizSistema FajaSistema Faja MaisanMaisan. IX Región. IX Región
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Referencia
Aguas Abajo
Aguas Arriba
Sistema LajaSistema Laja--Diguillín VIII Región, ChileDiguillín VIII Región, Chile
Río Diguillín
CHILLÁN
LAGUNADEL LAJA
Río LAJA
Río Huepil
CHILLAN VIEJOPINTO
SAN IGNACIO
EL CARMEN
BULNES
PEMUCO
YUNGAY TOTAL49.300 Ha
CanalLaja-Diguillín
(40 m3/s)
CanalLaja-Diguillín
(40 m3/s)
CanalDiguillín-Larqui
(38 m3/s)
BocatomaTucapel
BocatomaHuepil
BocatomaDiguillín
NCaracterísticas del ProyectoCaracterísticas del Proyecto
74 km. de canales matrices:
(40 m3/s de capacidad)
200 km. de canales derivados
secundarios y terciarios.
Obras de arte asociadas.
Inversión aprox. MMUS$160
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CANALES REVESTIDOSCANALES REVESTIDOS
•• SUELOSUELO--CEMENTOCEMENTO
•• MEMBRANAS PLASTICASMEMBRANAS PLASTICAS
•• MEZCLAS ASFÁLTICASMEZCLAS ASFÁLTICAS
•• HORMIGÓNHORMIGÓN••SHOTCRETESHOTCRETE
•• MAMPOSTERÍAMAMPOSTERÍA
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CANALES SIN REVESTIRCANALES SIN REVESTIRINCONVENIETESINCONVENIETES
PERDIDAS DE AGUAPERDIDAS DE AGUA
EROCIÓN DE LA SECCIÓNEROCIÓN DE LA SECCIÓN
PROLIFERACIÓN DE MALEZASPROLIFERACIÓN DE MALEZAS
ALTOS COSTOS DE MANTENCIÓNALTOS COSTOS DE MANTENCIÓN
OBRA DE ARTE COSTOSASOBRA DE ARTE COSTOSAS
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CANALES SIN REVESTIRCANALES SIN REVESTIR
PRECAUCIONESPRECAUCIONES
VELOCIDAD ADECUADAVELOCIDAD ADECUADA
EXCAVACIÓN PRECISAEXCAVACIÓN PRECISA
ESTABILIZACIÓN DEL SUELOESTABILIZACIÓN DEL SUELO
EVITAR LA MALEZAEVITAR LA MALEZA
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Túnel de desvíoTúnel de desvíode un embalsede un embalse
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ConceptosConceptos
Las pendientes de fondopendientes de fondo de canal varíanen el recorrido, ya que de una u otra
manera se deben ajustar a la topografía
del terreno.
Las velocidadesvelocidades pueden generar erosiónerosióncuando son muy altas o sedimentaciónsedimentación
cuando son muy bajas
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Erosión:Fenómeno de desgaste y/o desplome del radier y paredes del
canal, producto de la fricción por la velocidad y turbulencia del
agua. El fenómeno de erosión implica una modificación de la
sección original de la obra, por ende, genera un cambio en el
comportamiento hidráulico del escurrimiento (cambio en el eje
hidráulico y alturas de agua).
Sedimentación:Proceso en el cual el material sólido y fino, transportado por
una corriente de agua, se deposita y acumula en el fondo del
canal. Este fenómeno implica una modificación de la secciónoriginal de la obra, por ende, genera un cambio en el
comportamiento hidráulico del escurrimiento (cambio en el eje
hidráulico y alturas de agua).
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Referencia
Aguas Abajo
Aguas Arriba
A lo largo de un canal se sitúan muchas y variadas estructuras, llamadas
"obras de arte", estas son, entre otras:
Obras de Derivación, se usan para derivar el agua (utilizando marcos
partidores), desde un canal principal a uno secundario, o de este último
hacia un canal terciario.
Generalmente se construyen en hormigón, o en mampostería de piedra, y
están equipadas con compuertas, algunas simples, manuales, y otras que
pueden llegar a ser sofisticadas (manejadas a control remoto).
Controles de Nivel, muchas veces asociadas a las obras de derivación, son
destinadas a mantener siempre, en el canal, el nivel de agua dentro de un
cierto rango y, especialmente en los puntos terminales, con una inclinación
descendente.
ComponentesComponentes dede unun CanalCanal
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Referencia
Aguas Abajo
Aguas Arriba
Secciones de Aforo,
destinadas a medir la cantidad de agua que entra en un
determinado canal.
Existen diversos tipos de secciones de aforo, algunas
muy sencillas, constan de una regla graduada que es
leída por el operador a intervalos pre establecidos, hasta
sistemas complejos, asociados con compuertas
autorregulables, que registran el caudal en forma
continua y lo trasmiten a la central de operacióncomputerizada.
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Referencia
Aguas Abajo
Aguas Arriba
Obras de Cruce del canal de riego con otras
infraestructuras existentes en el terreno, pertenecientes
o no al sistema de riego.
Estas a su vez pueden ser de:
Cruce de canal de riego con un canal de drenaje
del mismo sistema de riego;
Cruce de un dren natural, con el canal de riego, a
una cota mayor que este último;
Cruce de canal de riego con una quebrada, o
valle;
Cruce de canal de riego con una vía o camino.
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Referencia
Aguas Abajo
Aguas Arriba
Vertedero de la PresaVertedero de la Presa FaradayFaraday en el Río Clackamas.en el Río Clackamas.Oregón EEUU.Oregón EEUU.
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Evacuador deEvacuador deCrecidas.Crecidas.
Embalse PuclaroEmbalse PuclaroIV Región ChileIV Región Chile
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Vista área de Sifón, canal LajaVista área de Sifón, canal Laja--DiguillínDiguillín..VIII Región ChileVIII Región Chile
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Los SifonesSifones permiten cruzar cauces, caminos,
quebradas, etc.
Su diseño depende del caudal, las cargas, característicastopográficas de terreno y suelo de fundación.
Los materiales dependerán principalmente de la magnitud de la
obra (del caudal de diseño, velocidad, longitud).
Por ejemplo: Hormigón In Situ, Hormigón Prefabricado,
materiales plásticos (PVC, HDP), etc.
río
Curso: Hidráulica General
Con la información topográfica de las curvas de nivel
y el perfil del terreno en el sitio de la obra, se traza el
sifón y procede a diseñar la forma y secciones de la
sección del conducto más económica y conveniente,
tomando en cuenta las “pérdidas de carga que han“pérdidas de carga que han
de presentarse”.de presentarse”.
El sifón funciona por diferencias de cargas, esta
diferencia de cargas debe absorber todas las
pérdidas en el sifón.
La diferencia de carga ∆Z debe ser mayor que las
perdidas totales.
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Referencia
Aguas Abajo
Aguas Arriba
Bocatoma de un Canal de RiegoBocatoma de un Canal de Riego
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Referencia
Aguas Abajo
Aguas Arriba
Una BocatomaBocatoma es una obra civil destinada a
extraer un cierto caudal de agua de una fuente
o cauce (estero, río, embalse, lago, etc).
Normalmente cuando se capta desde un
estero o río, la bocatoma es superficialsuperficial, en
cambio cuando se capta desde un embalse olago, la captación será profundaprofunda.
Curso: Hidráulica General
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Compuertas de una Bocatoma de un CanalCompuertas de una Bocatoma de un Canal
Embalse la LagunaEmbalse la LagunaValle del Elqui, IV RegiónValle del Elqui, IV Región
Obra deObra deTomaToma