Salto Hidraulico

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Salto Hidraulico

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  • SALTO HIDRAULICO[ ] Mec. Fluidos II

    INTRODUCCIN

    El estudio del comportamiento de un fluido, particularmente agua, a travs de un

    canal abierto, representa mucha importancia en las condiciones que se toman en

    cuenta al momento del diseo y mantenimiento del medio de conduccin del

    fluido, como es en este caso el canal.

    Las fases y comportamientos del fluido a travs del canal y de las estructuras

    hidrulicas que presenta, como son el salto hidrulico, el fenmeno de cavitacin,

    capa lmite, repercuten en la superficie del canal, haciendo de vital importancia su

    estudio.

    En el presente informe se detalla la observacin y comparacin de clculos

    referidos al experimento, mediante los datos obtenidos, al experimentar con un

    fluido a travs de un equipo que representa adecuadamente el comportamiento

    del fluido referido a travs de un canal abierto, tomando en cuenta diversas

    estructuras hidrulicas representadas.

  • SALTO HIDRAULICO[ ] Mec. Fluidos II

    OBJETIVOS

    Calcular el nmero de Froude, el tirante Y2, las energas especficas, la

    perdida de Energa entre Y1 y Y2 y la longitud del salto hidrulico.

    Observar y analizar el comportamiento que toma el fluido, debido a la

    intervencin de estructuras hidrulicas en su recorrido.

  • SALTO HIDRAULICO[ ] Mec. Fluidos II

    MARCO TEORICO

    Un canal es una estructura destinada al transporte de fluidos, generalmente

    utilizada para agua, y que, a diferencia de las tuberas, es abierta a la

    atmsfera. Tambin se utilizan como vas artificiales de navegacin. La

    descripcin del comportamiento hidrulico de los canales es una parte

    fundamental de la hidrulica y su diseo pertenece al campo de la ingeniera

    hidrulica, una de las especialidades de la ingeniera civil.

    Una caracterstica importante es que tiene que haber una pendiente del

    conducto para que se d el flujo, es decir el escurrimiento depende de la

    gravedad.

    ELEMENTOS DE LA SECCIN DE UN CANAL:

    Tirante: la profundidad del flujo (h) es la distancia vertical del punto ms bajo

    de la seccin del canal a la superficie libre.

    Ancho superior: el ancho superior (T) es el ancho de la seccin del canal en

    la superficie libre.

    rea mojada:el rea mojada (A) es el rea de la seccin transversal del flujo

    normal a la direccin del flujo.

    Permetro mojado:el permetro mojado (P) es la longitud de la lnea de la

    interseccin de la superficie mojada del canal con la seccin transversal

    normal a la direccin del flujo.

    A

  • SALTO HIDRAULICO[ ] Mec. Fluidos II

    Radio hidrulico: el radio hidrulico (R) es la relacin entre el rea mojada y

    el permetro mojado, se expresa como: R = A / P

    Profundidad hidrulica: la profundidad hidrulica (D) es la relacin del rea

    mojada con el ancho superior, se expresa como: D = A / T

    Factor de la seccin: el factor de la seccin (Z), para clculos de

    escurrimiento o flujo crtico es el producto del rea mojada con la raz

    cuadrada de la profundidad hidrulica, se expresa como: Z = A. SQRT (D).

    TIPOS DE FLUJO:

    - Flujo permanente; un flujo permanente es aquel en el que las propiedades fluidas

    permanecen constantes en el tiempo, aunque pueden no ser constantes en el

    espacio.

    Las caractersticas del flujo, como son: Velocidad (V) y tirante (h), son

    independientes del tiempo, si bien pueden variar a lo largo del canal.

    - Flujo transitorio; un flujo transitorio presenta cambios en sus caractersticas a lo

    largo del tiempo para el cual se analiza el comportamiento del canal. Las

    caractersticas del flujo son funcin del tiempo;

    Las situaciones de transitoriedad se pueden dar tanto en el flujo subcrtico, como en

    el supercrtico.

    - Flujo uniforme; es el flujo que se da en un canal recto, con seccin y pendiente

    constante, a una distancia considerable (20 a 30 veces la profundidad del agua en el

    canal) de un punto singular, es decir un punto donde hay una mudanza de seccin

    transversal ya sea de forma o de rugosidad, un cambio de pendiente o una variacin

    en el caudal.

    - Flujo variado; si la profundidad de flujo cambia a lo largo del canal. El flujo variado

    puede ser permanente o no permanente. El flujo variado puede clasificarse adems

  • SALTO HIDRAULICO[ ] Mec. Fluidos II

    como rpidamente variado o gradualmente variado. El flujo es rpidamente

    variado si la profundidad del agua cambia de manera abrupta en distancias

    comparativamente cortas; de otro modo es gradualmente variado. Un flujo

    rpidamente variado tambin se conoce como fenmeno local; algunos ejemplos

    son el resalto hidrulico y la cada hidrulica.

    SECCIONES TIPO DE CANALES ABIERTOS:

    RESALTO HIDRULICO COMO DISIPADOR DE ENERGA

    Efecto de la gravedad. El efecto de la gravedad sobre el estado de flujo se

    representa por la relacin entre las fuerzas inerciales y las fuerzas gravitacionales.

    Esta relacin est dada por el Nmero de Froude, definido como:

    Donde, v es la velocidad de flujo, g es la aceleracin de gravedad y D es la

    profundidad hidrulica,

    Donde, A es el rea mojada y T es el ancho de la superficie

    Clasificacin del flujo respecto al rgimen de velocidad

    Flujo Sper crtico: en este estado el papel jugado por las fuerzas inerciales

    es ms pronunciado presenta una velocidad de flujo muy alta, una

    profundidad de flujo baja y se genera en condiciones de pendiente alta.

  • SALTO HIDRAULICO[ ] Mec. Fluidos II

    Flujo Crtico: rgimen de flujo intermedio, se caracteriza por generar alta

    inestabilidad en el flujo, no es recomendable para el diseo.

    Flujo Suscritico: en este estado el papel jugado por las fuerzas

    gravitacionales es ms pronunciado por lo tanto se presenta una velocidad

    de flujo baja, tiene una profundidad de flujo alta y se genera en condiciones

    de baja pendiente.

    Linea de energa

    TORRENTE

    y1

    V1

    2gE1

    SALT

    O

    HIDRA

    LICO

    RO

    y2

    V2

    2g

    E2

    E = E + h1 2 f

    h = (? E)f 1-2

    RESALTO HIDRALICO COMO

    DISIPADOR DE ENERGA

    = (E)

    1-2

  • SALTO HIDRAULICO[ ] Mec. Fluidos II

    SALTO HIDRULICO

    El salto hidrulico 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 fenmeno presenta

    un estado de fuerzas en equilibrio, en el que tiene lugar un cambio violento del

    rgimen de flujo, de supercrtico a subcrtico.

    Figura 1. Volumen de control en el resalto hidrulico, fuerzas hidrostticas (Fh) y

    fuerzas dinmicas (Fd).

    En la seccin 1, actan las fuerzas hidrosttica F1h y dinmica F1d; en forma

    similar pero en sentido contrario en la seccin 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 direccin contraria (la

    fuerza F1h es menor a F2h, inversamente F1d es mayor a F2d). Debido a la

    posicin de las fuerzas resultantes, ambas estn espaciadas una distancia d, lo

    cual genera un par de fuerzas de la misma magnitud pero de sentido contrario. En

    razn a la condicin de lquido, las partculas que lo componen adquirirn la

    tendencia de fluir en la direccin de las fuerzas predominantes, presentndose la

    mezcla del agua con lneas de flujo superficiales movindose en sentido contrario

    a la direccin de flujo y de manera inversa en la zona cercana a la solera. El

    repentino encuentro entre las masas de lquido y el inevitable choque entre

  • SALTO HIDRAULICO[ ] Mec. Fluidos II

    partculas, provocan la generacin de un medio lquido de gran turbulencia que da

    lugar a la absorcin de aire de la atmsfera, dando como resultado un medio

    mezcla agua-aire.

    Analizando el volumen de control contenido entre las secciones 1-2 se tiene que la

    fuerza de momentum por unidad de longitud, para un canal rectangular est dada

    por:

    21

    =1

    2(1 + 82 1) =

    Ecuacin de un salto hidrulico en un canal rectangular .la relacin entre los

    tirantes conjugados 2

    1 es una funcin del nmero de FROUDE .

    Las profundidades Y1 y Y2, se llaman profundidades conjugadas o secuentes, y

    tienen la particularidad que la funcin Momentum (M) es la misma para ambas

    profundidades, mientras que existe una variacin de la energa especfica, debida

    a la prdida de energa producida por el resalto, como se observa en la Figura

  • SALTO HIDRAULICO[ ] Mec. Fluidos II

    PRINCIPALES CARACTERSTICAS DEL SALTO HIDRULICO

    Calculo de F (N de Froude)

    yg

    VF

    .

    Dnde:

    V = Velocidad media de Y1.

    y1 y y2 = Tirantes conjugado.

    g = Aceleracin de la gravedad (9.8 m/s2).

    Perdida de Energa

    La prdida de energa en el salto es igual a la diferencia en energa

    especifica antes y despus de salto.

  • SALTO HIDRAULICO[ ] Mec. Fluidos II

    La relacin E/E1 se conoce como perdida relativa.

    Eficiencia

    Es la relacin entre la energa especifica antes y despus del salto.

    La eficiencia de un salto es una funcin adimensional que depende del

    nmero de Froude del flujo de aproximacin.

    Altura del Salto

    Es la diferencia entre las profundidades antes y despus del salto.

    Con h