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Facultad De Ingeniería Agrícola Facultad De Ingeniería Agrícola
RESALTO HIDRAULICO Y FUERZA ESPECÍFICA RESALTO HIDRAULICO Y FUERZA ESPECÍFICA
CURSO
CURSO : : HidráulicaHidráulica
PROFESOR
PROFESOR : : Ing. Ing. AscenciosAscencios
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CICLO
CICLO : : 2012-I2012-I
La transición, en movimiento permanente, de régimen rápido a lento se realiza con una gran disipación local de energía presentándose un frente abrupto muy turbulento conocido con el nombre de resalto hidráulico. En este laboratorio se pretende identificarlo y destacar su importancia.
II. OBJETIVOS
• Observación del resalto hidráulico, así como su posición y longitud.
• Comparación de los tirantes aguas abajo, aguas arriba y conjugados
con los valores teóricos.
• Graficar la curva de fuerza específica.
III. MARCO TEÓRICO
III.1 RESALTO O SALTO HIDRÁULICO
III.1.1 Concepto
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. 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.
Este involucra una pérdida de energía relativamente grande mediante disipación en el cuerpo turbulento de agua dentro del resalto. En
consecuencia, el contenido de energía en el flujo después del resalto es apreciablemente menor que el de antes del mismo.
La profundidad antes del resalto es siempre menor que la profundidad después del resalto. La profundidad antes del resalto se conoce como PROFUNDIDAD INICIAL y1, y después del resalto se conoce como PROFUNDIDAD SECUENTE y2. Entonces, la energía específica E1
correspondiente a la profundidad inicial y1 es mayor que la energía específica E2 correspondiente a la profundidad secuente y2 en una cantidad igual a la pérdida de energía "E.
Como se observa en la figura 1 este fenómeno provoca un aumento
apreciable del calado, consideración que debe ser tenida en cuenta en el dimensionamiento de la red, en los puntos en que, por sus características geométricas, se den las condiciones de posible aparición de un resalto hidráulico.
Se considera la sección (1) en régimen rápido justo antes del resalto y la (2), ya en movimiento uniforme después del resalto, en régimen lento. En las secciones (1) y (2) puede suponerse una distribución hidrostática de presiones.
La relación de calados resultante aguas arriba y abajo del resalto se obtiene de aplicar las ecuaciones de la cantidad de movimiento y de continuidad:
(1)
Siendo F ²1 = V1²/ ( g· y )
III.1.2 Tipos De Resalto
El Bureau of Reclamation investigó diferentes tipos de resalto hidráulico en canales horizontales, cuya base de clasificación es el número de Froude F1 del flujo entrante:
F1 = 1, el flujo es crítico, por lo que no se forma resalto.
F1 = 1 a 1.7, la superficie de agua muestra ondulaciones y se presenta el resalto hidráulico ondulante.
F1 = 1.7 a 2.5, el ondulamiento de la superficie en el tramo de mezcla es mayor, se presenta una serie de remolinos sobre la superficie del resalto, pero la superficie del agua hacia aguas abajo permanece uniforme. La
velocidad a través de la sección es razonablemente uniforme y la pérdida de energía es baja. Se presenta el resalto hidráulico débil.
F1 = 2.5 a 4.5, existe un chorro oscilante que entra desde el fondo del resalto hasta la superficie y se devuelve sin ninguna periodicidad. Cada oscilación produce una onda grande con periodo irregular, muy común en canales, que
puede viajar a gran distancia causando daños ilimitados a bancas de tierra y a enrocados de protección. Se produce el resalto hidráulico oscilante.
F1 = 4.5 a 9.0, la extremidad de aguas abajo del remolino superficial y el punto sobre el cual el chorro de alta velocidad tiende a dejar el flujo ocurren en la misma sección vertical. La acción y la posición de este resalto son
menos sensibles a la variación en la profundidad de aguas abajo. El resalto se encuentra bien balanceado, con mayor estabilidad y el rendimiento es mejor. La disipación de energía varía de 45 % a 70 %. Se presenta resalto hidráulico permanente o estable.
F1 > 9, el chorro de alta velocidad choca con paquetes de agua intermitentes que corren hacia abajo a lo largo de la cara frontal del resalto, generando ondas hacia agua abajo. Existe gran ondulación de la superficie con tendencia de traslado de la zona de régimen supercrítico hacia aguas abajo. La acción del resalto es brusca pero efectiva debido a que la disipación de energía puede alcanzar un 85%. Se produce el resalto hidráulico fuerte.
En la práctica se recomienda mantener el resalto hidráulico en la condición de resalto oscilante, por cuanto se trata de un resalto bien formado y accesible en las condiciones de flujo reales, si bien la disipación que se logra no alcanza los mejores niveles. En los casos de resaltos permanente y fuerte, las
condiciones hidráulicas aguas abajo son muy exigentes y difíciles de cumplir en la práctica.
III.1.3 Formación del resalto
Generalmente, el resalto se forma cuando en una corriente rápida existe algún obstáculo o un cambio brusco de pendiente. Esto sucede al pie de estructuras hidráulicas tales como vertederos de demasías, rápidas,
Figura 1: Lugares apropiados para formarse el resalto hidráulico III.1.4 Características del resalto hidráulico
En un resalto como el que se muestra en la figura Nº 03 se pueden realizar las siguientes observaciones:
• Antes del resalto, cuando el agua escurre todavía en régimen rápido, predomina la energía cinética de la corriente, parte de la cual se transforma en calor (pérdida de energía útil) y parte en energía potencial (incremento del tirante); siendo esta la que predomina, después de efectuado el fenómeno.
• En la figura 03, las secciones (1) y (2) marcan esquemáticamente el principio y el final del resalto. Los tirantes “y1” y “y2” con que escurre el agua antes y después del mismo se llaman tirantes conjugados donde :
y2 = tirante conjugado mayor y1 = tirante conjugado menor
La diferencia: y2 – y1 es la altura del resalto.
• E1 es la energía específica antes del resalto y E2 la que posee la
corriente después de él. Se observa que en (2) la energía específica es menor que en (1) debido a las fuertes pérdidas de energía útil que el fenómeno ocasiona; esta pérdida se representa como: E1 – E2.
III.1.5 Longitud del resalto
• “L” es la longitud del resalto; existen muchos criterios para encontrar este último valor. No puede determinarse teóricamente, existiendo varias correlaciones experimentales.
• Aproximadamente, puede tomarse:
Otra fórmula:
Donde K depende del talud:
Z 0 0.5 0.75 1.0 1.2 5 1.5 0 K 5 7.5 9.2 10. 6 12. 6 15
Dependiendo de los valores de “y1”, “y2” que son los tirantes
conjugados y del tirante “yn” que se forma aguas abajo se puede ubicar la posición del resalto hidráulico. Así, de acuerdo a la figura 04:
Figura 3: Ubicación del resalto hidráulico
• A
Para y2 > yn: el resalto barrido, el resalto se forma en el tramo de menor pendiente.
• B
Para y2 = yn: el resalto claro, el resalto se forma en la línea de cambio de pendiente.
• C y D
Para y2 < yn: resalto ahogado, el resalto se presenta en el tramo de mayor pendiente.
III.1.7 Aplicaciones y recomendaciones del resalto hidráulico
• Todos los tipos de resalto se encuentran en el diseño de cuencos
disipadores.
• El resalto débil no requiere de bloques o consideraciones especiales. Lo
único que se necesita es dar la longitud apropiada al cuenco, la cual es relativamente corta. Ésta puede determinarse mediante el gráfico
donde se presenta la relación adimensional para la longitud del resalto hidráulico.
• El resalto oscilante, encontrado a menudo en el diseño de estructuras
de canales, presas de derivación y obras de descarga es difícil de manejar. En lo posible deben evitarse los resaltos con número de
Froude dentro del rango 2.5 a 4.5. En muchos casos no puede evitarse el uso de este resalto, pero en otros casos, alterando la dimensiones puede llevarse al rango deseable. Los bloques deflectores o accesorios tienen muy poco valor, las ondas son la principal fuente de dificultad, por consiguiente pueden utilizarse supresores de onda diseñados para manejarlas.
• No se encuentra una dificultad particular para el resalto estacionario.
Arreglos con deflectores y de bloques son útiles como medios para acortar la longitud del cuenco disipador.
• A medida que el número de Froude aumenta, el resalto se vuelve más
sensible a la profundidad de salida. Para números de Froude tan bajos como 8, se recomienda una profundidad de salida mayor que la
secuente para asegurar que el resalto permanecerá en la zona protegida.
• Cuando el número de Froude es mayor que 10, un cuenco disipador de
resalto puede no ser lo más económico. En este caso, la diferencia entre las profundidades, inicial y secuente es alta y, por lo general se requiere un cuenco muy profundo con muros de retención muy altos. El costo del cuenco disipador no compensa los resultados obtenidos. Un disipador del tipo cubeta deflectora dará resultados similares a menor costo.
• Prevención o confinamiento de la socavación aguas debajo de las
estructuras hidráulicas donde es necesario disipar energía.
• Mezclado eficiente de fluidos o de sustancias químicas usadas en la
purificación de aguas, debido a la naturaleza fuertemente turbulenta del fenómeno.
• Incremento del caudal descargado por una compuerta deslizante al
rechazar el retroceso del agua contra la compuerta. Esto aumenta la carga efectiva y con ella el caudal.
• La recuperación de carga aguas debajo de un aforador y
mantenimiento de un nivel alto del agua en el canal de riego o de distribución del agua.
• El mantenimiento de altos niveles de aguas en canales que se utilizan para propósitos de distribución de agua.
• Incrementos del gasto descargado por una compuerta deslizante al rechazar el retroceso del agua contra la compuerta, esto aumenta la carga efectiva y con ella la descarga.
• La reducción de la elevada presión bajo las estructuras mediante la elevación del tirante del agua sobre la guarnición de defensa de la estructura.
• La mezcla de sustancias químicas usadas para la purificación o tratamiento de agua.
• 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 razón efectividad-costo del flujo.
• Recuperar altura o aumentar el nivel del agua en el lado de aguas debajo de una canaleta de medición y mantener un nivel alto del agua en el canal de irrigación o de cualquier estructura para distribución de aguas.
III.2 FUERZA ESPECÍFICA
III.2.1 Concepto
La siguiente expresión reúne el empuje específico estático que ejerce el resto del flujo sobre el volumen de control y el empuje específico dinámico en la sección, que es el flujo de cantidad de movimiento a través de ésta.
Donde: F = fuerza específica Q = caudal
A = área mojada
III.2.2 Características
La función fuerza específica tiene dimensiones de longitud al cubo y está definida para todo valor no nulo de la profundidad. La fuerza específica es asintótica a la profundidad cero, tiene concavidad positiva en el dominio positivo, tiene un punto de inflexión (d F/dy =0) en un valor negativo de la profundidad y un intercepto (F=0) en la profundidad negativa.
En los casos particulares de secciones rectangular y triangular el punto de inflexión coincide con el intercepto. La función fuerza específica, en el rango de valores positivos de la profundidad, tiene un valor mínimo relativo a una profundidad que se conoce como profundidad crítica y a esa fuerza específica se le conoce como fuerza específica crítica, o mínima. Para un valor dado de la fuerza específica existen tres profundidades que lo satisfacen. Si el tal valor dado es mayor que la fuerza específica mínima existirán tres valores de
profundidad que satisfacen la función, dos positivos diferentes entre sí y uno negativo. Si la fuerza específica es la mínima habrá dos valores de
profundidades positivas iguales entre sí, que corresponden precisamente a la profundidad crítica, y una profundidad negativa. Si la fuerza específica es menor que la mínima, la solución estará formada por una pareja de valores complejos conjugados entre sí y por un valor negativo de la profundidad. Para todo valor de F mayor que el mínimo, existen dos posibles profundidades positivas de flujo que se conocen como profundidades conjugadas: una de ellas, mayor que la profundidad crítica, es la profundidad secuente, que corresponde al estado subcrítico y la otra, menor que la profundidad crítica, está asociada al estado supercrítico del flujo.
Figura 4: Curva de fuerza específica
IV. MATERIALES
• canal rectangular con pendiente variable (de laboratorio) • una regla metálica y wincha
• correntómetro • tubo de Pitot
V. METODOLOGÍA
1. Pasar un caudal determinado hasta su estabilización.
2. Se trabajo con una pendiente (S=0 %).
3. Se insertó en el canal una compuerta de descarga inferior.
4. Se colocó la compuerta a una altura determinada con el fin de visualizar la
ubicación del resalto en sus 3 distintas posiciones.
5. Se midió con regla los tirantes conjugados y los tirantes aguas abajo y aguas arriba.
6. Se midió la longitud del resalto con una wincha.
7. Se midió con el correntómetro las velocidades antes y después de la compuerta.
VI. RESULTADOS
Los datos se expresan de acuerdo a la siguiente figura:
Figura 5: Esquema de salto hidráulico para laboratorio
VI.1 Resultados medidos directamente
• Con la regla metálica y wincha (m) y 0 0.20 5 y 1 0.01 y 2 0.07 5 y n 0.05 3 L 0.54
• Datos medidos con el correntómetro
V V (m/s)
(pies/s) Aguas abajo 0.95 0.29 0.91 0.28 0.9 0.27 Aguas arriba 0.32 0.1 0.28 0.09 0.28 0.09
• Tirante normal sin la compuerta
(m)
yn 0.053
VI.2 Resultados calculados teóricamente
• Velocidad “1”
Utilizando la fórmula de Pitot
V1=1.96 m/s
• Tirante conjugado mayor (y2) Utilizando la fórmula
• Longitud del resalto:
• Caudal:
II. DISCUSIONES
• Se puede disponer de las medidas requeridas para el salto hidráulico con diferentes situaciones.
• El flujo del canal es gradualmente variado, si el canal contara con una mayor longitud se extendería mucho mas metros.
III. CONCLUSIONES
• Se pudo apreciar el resalto hidráulico de manera muy práctica.
• Los valores teóricos y reales difieren.
• Para la grafica de fuerza específica se necesita mayores datos, como
