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3.1 EL PRINCIPIO DE ENERGÍA
En el flujo permanente en canales se conservan la masa y la energía. Por otro lado, en el flujo
no permanente se conservan la masa y la cantidad de movimiento. La energía se expresa en unidades
FL La Figura 3-1 muestra un canal con pendiente pronunciada, para el cual la carga total H correspondiente a una sección 0, con el punto A en una línea de corriente, se puede expresar de la siguiente manera:
en la cual zA = elevación del punto A por encima de un plano de referencia,
dA = profundidad del punto A por debajo de la superficie del agua, θ =
ángulo de inclinación del fondo del canal, y
Debido a la falta de uniformidad en una sección transversal, la carga de velocidad varía a lo largo de la profundidad y ancho. Para una sección transversal dada, la carga de velocidad está basada en la velocidad media V. El coeficiente de Coriolis (Sección 2.2) se utiliza para explicar la falta de uniformidad en la distribución de velocidades. Esto conduce a la energía total para una sección dada:
Para un canal de poca pendiente, cos θ ≅ 1. Por lo tanto, la energía total se reduce a:
La ley de conservación de la energía entre las secciones transversales 1 y 2 conduce a (Fig. 3-1):
La línea que representa la carga total es la línea de energía. La pendiente de la línea de energía es Sf. La pendiente de la superficie del agua es Sw y la pendiente del fondo del canal es So, en la cual So = tan θ. Bajo condiciones de flujo uniforme, las tres pendientes son las mismas: Sf = Sw = So . Para un canal de poca pendiente, la Ec. 3-4 se reduce a:
Para el caso de α1 = α2 ≅ 1, es decir, un canal hidráulicamente ancho, y hf = 0, la Ec. 3-4 se reduce a la ley de la conservación de la energía mecánica, también conocida como la ecuación de Bernoulli:
3.2 ENERGÍA ESPECÍFICA
La Ecuación 3-6 es válida para un canal de pendiente pequeña. En el límite, cuando el canal es horizontal, o alternativamente, cuando el canal es suficientemente corto, la Ec. 3-6 se reduce a la ley de la conservación de la energía específica. En efecto, para z1 ≅ z2, la Ec. 3-6 se reduce a:
La Ecuación 3-7 establece la conservación de la energía específica en un canal horizontal hidráulicamente ancho. La energía específica es:
en la cual E es la energía por unidad de peso, medida con respecto al fondo del canal, definida en términos de la profundidad de flujo y y la carga de velocidad V 2/(2g). Dado que V = Q /A, la energía específica en términos de la descarga es:
En el flujo permanente, Q es constante y el área de flujo A es una función de la profundidad de flujo y. Por lo tanto, para una Q dada, la energía específica es solamente una función de y. Para una sección transversal y descarga Q dadas, la gráfica de profundidad de flujo y y energía específica E resulta en la curva de energía específica mostrada en la Fig. 3-2. Para cada valor de Q, la curva de energía específica es una función hiperbólica, con un valor mínimo de E y dos extremidades: la inferior AC y la superior BC.
El valor mínimo de E (en el punto C) representa el estado crítico de flujo, con profundidad crítica. La extremidad inferior AC, con profundidades más pequeñas, describe el flujo supercrítico. Esta extremidad es asintótica al eje horizontal. La extremidad superior BC, con profundidades mayores, describe el flujo subcrítico. Esta extremidad es asintótica a la línea OD de 45° de inclinación, la cual se inicia en el origen (O). Para cualquier punto P en la curva, la abscisa representa la energía específica E y la ordenada representa la profundidad de flujo y.
Para una energía específica dada, hay dos puntos en la curva; el de abajo corresponde a un tirante pequeño y el de arriba a un tirante grande. A éstos se les conoce como tirantes alternos. En el punto C, los tirantes alternos se unen en un solo valor, denominado el tirante crítico, para el cual la energía específica es mínima. Cuando el tirante es mayor que el tirante crítico el flujo es subcrítico, y cuando es menor el flujo es supercrítico. La curva AB de la Fig. 3-2 representa la energía específica para una descarga Q dada. La curva A'B' corresponde a una descarga menor, y la curva A"B" a una descarga mayor. Criterio de flujo crítico La Fig. 3-2 muestra que la profundidad crítica (flujo crítico) corresponde a la energía específica mínima. Para comprobar esto, se diferencia la Ec. 3.9 con respecto a y y se iguala a cero:
El cambio diferencial en el área de flujo dA es igual al ancho de la parte superior T por el cambio diferencial en la profundidad de flujo dy (Fig. 3-2):
La Ecuación 3-10 se reduce a:
Dado que Dc = Ac /Tc , y Vc = Q /Ac; la Ec. 3-12 se reduce a:
El lado izquierdo de la Ec. 3-13 es el cuadrado del número de Froude (Sección 1-3). Por lo tanto, la condición F 2 = 1, o mejor aún, F = 1, describe la condición de caudal crítico, en la cual la energía específica es mínima. La Ec. 3-13 se puede expresar como sigue:
la cual establece que, bajo flujo crítico, la carga de velocidad es igual a la mitad de la profundidad hidráulica. La Figura 3-3 muestra un canal cerca del flujo crítico.
La Ecuación 3-14 describe la condición de flujo crítico para un canal hidráulicamente ancho (α = 1) con pendiente pequeña. Dado un canal de gran pendiente y con sección transversal arbitraria, la condición de flujo crítico es:
en la cual Dc es la profundidad hidráulica correspondiente al flujo crítico, medida en dirección normal al fondo. Por lo tanto, la condición general del flujo crítico es:
El número de Froude, aplicable a cualquier canal, independientemente de la pendiente y de la sección transversal es:
3.3 FENÓMENOS LOCALES
Los cambios del flujo supercrítico a subcrítico, o de flujo subcrítico a supercrítico, ocurren frecuentemente en el flujo en canales, dependiendo de la pendiente del canal y la sección transversal. Los cambios constituyen fenómenos locales cuando ocurren en una distancia relativamente corta. La caída hidráulica y el salto hidráulico son ejemplos de fenómenos locales. La caída hidráulica La caída hidráulica se produce cuando hay una fuerte depresión en la superficie del agua, causada por un cambio brusco en la elevación. La Fig. 3-4 muestra un vertedero libre, ejemplo de caída hidráulica.
Por lo general, el flujo en la proximidad de un vertedero libre es rápidamente variado; por lo tanto, la profundidad
medida en el borde es algo menor que la profundidad crítica calculada por la teoría del flujo paralelo. La Figura 3-5 muestra
una ilustración del flujo cerca del borde. El nivel actual de la superficie del agua se muestra con una línea continua, mientras que
la curva teórica, asumiendo flujo paralelo, se muestra con una línea discontinua.
Para los canales de poca pendiente, la profundidad crítica calculada es de aproximadamente 1.4 veces la profundidad medida en el borde; es decir,
El salto hidráulico es causado por un incremento brusco en la superficie del agua. En un salto hidráulico el flujo cambia de supercrítico (aguas arriba) a subcrítico (aguas abajo) y es acompañado por una disipación (pérdida) apreciable de energía. La cantidad de disipación de energía depende de las condiciones del flujo aguas arriba y aguas abajo. El salto ocurre frecuentemente en las siguientes condiciones:
La profundidad de flujo aguas arriba del salto se llama profundidad inicial y1, y aguas abajo se llama profundidad secuente y2. Estas profundidades se muestran en la curva de energía específica de la Fig. 3-7. No se deben confundir con las profundidades alternas y1' y y2', las cuales son dos profundidades posibles para una energía específica. La energía específica E1 en la profundidad inicial y1 es mayor que la energía específica E2 en la profundidad secuente y2. La disipación (pérdida) de energía debido al salto hidráulico es igual a la diferencia entre las energías específicas:
A la derecha de la Fig. 3-7, se muestra la curva de fuerza específica (Sección 3.5), donde las profundidades secuentes y1 y y2 tienen la misma fuerza específica: F1 = F2.
3.4 CANTIDAD DE MOVIMIENTO
La cantidad de movimiento M es igual a una fuerza integrada a lo largo de un período de tiempo, o la masa por la velocidad (Ec. 2-27):
El flujo de cantidad de movimiento, o la fuerza F, de un flujo con una velocidad V a través de una sección de área A (Ec. 2-30), se repite a continuación:
Dado que Q = VA, el flujo de la cantidad de movimiento, o la fuerza F, ejercida por un flujo de descarga Q y velocidad V es:
De acuerdo con la segunda ley de Newton, el cambio ΔF en el flujo de cantidad de movimiento a través de
un volumen de control es igual a la resultante de todas las fuerzas externas que actúan sobre dicho volumen. Las fuerzas externas son: (1) la fuerza sobre el cuerpo, y (2) las fuerzas de superficie. La primera fuerza es la
fuerza gravitacional expresada en la dirección del movimiento (la fuerza Las fuerzas de superficie actúan en tres lugares: (1) en la parte inferior, (2) en los lados, y (3) en la parte superior. La fuerza inferior se debe a la fricción, la cual siempre actúa en la dirección opuesta al flujo (la fuerza Ff en la Fig. 3-8). No existe fricción nula, pero para fines prácticos, es posible ignorar la fricción bajo ciertas condiciones.
Las fuerzas de superficie lateral son dos: una aguas arriba, la fuerza P1 en la Fig. 3-8, y otra
aguas abajo, la fuerza P2. Estas fuerzas se deben a la presión del agua, la cual puede ser
hidrostática bajo flujo paralelo, o no hidrostática bajo flujo curvilíneo convexo o cóncavo
( La fuerza que actúa en la superficie del agua se debe a la acción del viento. Para el flujo en canales, la fuerza del viento es despreciable, por lo cual generalmente no es considerada. Sin embargo, la fuerza del viento no se puede ignorar en los casos de flujo superficial en lagos u océanos. La conservación de la cantidad de movimiento en un volumen de control está dado por (Fig. 3-8):
En unidades de peso:
La diferencia de flujo de cantidad de movimiento es igual al flujo de la sección 2 menos el flujo de la sección 1. Las fuerzas que actúan sobre el volumen de control son positivas en la dirección del flujo y negativas en dirección opuesta. La Ecuación 3-23 se conoce como la ecuación de balance de cantidad de movimiento o ecuación de cantidad de movimiento. La fuerza P1 del flujo paralelo en un canal rectangular de pendiente pequeña y ancho b es:
De igual manera, la fuerza P2 es:
El peso W del volumen de control (Fig. 3-8) es:
El peso del volumen de control, expresado a lo largo de la dirección de movimiento (Fig. 3-8), es:
Bajo condiciones típicas de flujo gradualmente variado, la fuerza de fricción Ff a lo largo del fondo del canal es aproximadamente igual y opuesta a la fuerza gravitacional W sin θ (Ec. 3-27). Por lo tanto, la fuerza de fricción se puede expresar como sigue:
en la cual hf' = disipación de altura (pérdida de carga) debida a la fricción. La descarga Q es:
Sustituyendo las Ecs. 3-24 a 3-29 en la Ec. 3-23 y simplificando los términos, se obtiene la siguiente ecuación:
Existen varias diferencias importantes entre las Ec. 3-30 y 3-5:
A pesar de que las Ecuaciones 3-5 y 3-30 son similares, no son equivalentes.
La Ecuación 3-5 se utiliza para el flujo permanente gradualmente variado, mientras
que la Ec. 3-30 se utiliza para el flujo no permanente gradualmente variado .
La Ec. El principio de la cantidad de movimiento se aplica a los problemas donde las fuerzas desempeñan un papel preponderante. Por lo general, el principio de conservación de energía se utiliza en casos de flujo permanente gradualmente variado, mientras que el principio de conservación de la cantidad de movimiento se utiliza en el flujo no permanente gradualmente variado. El salto hidráulico, el cual es rápidamente variado, es una excepción. Ambos principios, energía y cantidad de movimiento, se utilizan en la solución del salto hidráulico. 3.5 FUERZA ESPECÍFICA
En los canales horizontales, la componente de la fuerza gravitacional a lo largo de la dirección del movimiento es cero. Por lo tanto, para fines prácticos, en los canales casi horizontales, la fuerza gravitacional puede ser ignorada. La fuerza de fricción se desarrolla a lo largo del fondo del canal; por lo tanto, cuanto más largo el canal, mayor es la fuerza de fricción. Para un canal corto, la fuerza de fricción es pequeña y puede ser ignorada. La fuerza de fricción nunca es nula, pero el ignorarla puede justificarse al compararla con el resto de las fuerzas presentes en el flujo de canales. La eliminación de las fuerzas gravitacionales y de fricción en el balance del flujo de la cantidad de movimiento lleva a:
Asumiendo β1 = β2 = 1, la Ec. 3-31 se reduce a:
Dado que V1 = Q / A1, y V2 = Q / A2:
La fuerza de presión P que actúa en una sección de área A y distancia z̄ medida desde el centroide del área hasta la superficie del agua [Fig. 3-9 (b)] es:
Por lo tanto:
Sustituyendo las Ecs. 3-35 y 3-36 en la Ec. 3-33, y dividiendo por el peso específico (peso unitario) γ:
En general, la fuerza específica se define como sigue:
La Ecuación 3-37 establece que la fuerza específica se conserva en el flujo de canales en un canal horizontal pequeño, es decir, F1 = F2. Nótese que la fuerza específica es una fuerza por unidad de γ (el peso por unidad de volumen); por lo tanto, la fuerza específica tiene las unidades de volumen [L3]. La curva de la fuerza específica que se muestra en la Fig. 3-9 (c) se obtiene graficando F en las abscisas e y en las ordenadas. Esta curva es similar a la curva de la energía específica [Fig. 3-9 (a)], pero con algunas diferencias. La extremidad de AC se acerca al eje horizontal asintóticamente hacia la derecha. La extremidad BC se eleva hacia arriba y se extiende sin límite a la derecha.
Dado un valor de la fuerza específica F1, la curva tiene
dos
profundidades posibles: y1 y y2. Éstas son las profundidades
inicial y secuente, respectivamente,
de un salto hidráulico. En el punto C El criterio del flujo crítico en la fuerza específica Así como en el caso de la energía específica, para probar que la fuerza específica mínima corresponde al criterio de flujo crítico se debe diferenciar la Ec. 3-38 con respecto a y, lo cual resulta en:
Para un cambio en la profundidad dy, el cambio correspondiente d(z̄A) en el momento estático del área mojada con respecto a la superficie libre es:
Conforme es usual en el cálculo diferencial, el término de segundo orden en la Ec. 3-40 es despreciable. Así:
Por lo tanto, la Ec. 3-39 se reduce a:
Simplificando la Ec. 3-42:
Dado que dA /dy = T, Q /A = V, y A /T = D, la Ec. 3-43 se reduce a:
el cual es el cuadrado del número de Froude:
La Ecuación 3-45 es el criterio de flujo crítico, aplicable tanto a curvas de energía específica como a curvas de fuerza específica (cantidad de movimiento específica). Cabe mencionar que la profundidad secuente y2 es siempre menor que la profundidad alterna alta y2' (Fig. 3-7). Además, la energía E2 es siempre menor que la energía E1, mientras que la fuerza específica F2 sigue siendo igual a la fuerza específica F1 [Fig. 3-7 y Fig. 3-9 (c)]. A fin de mantener una fuerza específica constante, la profundidad de flujo debe incrementarse de y1 a y2, con la disipación de una cierta cantidad de energía. La disipación (pérdida) de energía es igual a: ΔE = E1 - E2. Esta situación ocurre en el salto hidráulico, donde las fuerzas específicas antes y después del salto son iguales, pero con la consecuente disipación de energía (Fig. 3-10).
Fuerza específica por unidad de ancho del canal En un canal hidráulicamente ancho o, en su defecto, en un canal rectangular, la fuerza específica por unidad de ancho b es:
en la cual q = Q /b. La fuerza específica por unidad de ancho del canal b, se puede describir en términos de velocidad media V = q/y, como sigue:
Fuerza específica en unidades de fuerza En unidades de fuerza, la fuerza específica es:
En unidades de fuerza, la fuerza específica por unidad de ancho es:
En unidades de fuerza, y en términos de velocidad media V, la fuerza específica por unidad de ancho b es:
3.6 CANTIDAD DE MOVIMIENTO EN CANALES NO PRISMÁTICOS
El principio de conservación de la cantidad de movimiento puede aplicarse a canales no prismáticos en el caso de que las fuerzas externas sean despreciables o conocidas de antemano. Este principio es particularmente aplicable al salto hidráulico, en el cual las grandes pérdidas internas que ocurren no pueden ser evaluadas completamente utilizando solamente el principio de la energía. El ejemplo que sigue ilustra cómo puede aplicarse el principio de la cantidad de movimiento al diseño de una transición (Chow, 1959). En este caso, el flujo aguas arriba es supercrítico y el flujo aguas abajo subcrítico; por lo tanto, es posible que se forme un salto hidráulico en algún lugar de la transición. Nótese que el salto puede ser evitado modificando la sección del canal en la transición; por ejemplo, elevando el fondo, como se muestra en la parte (b) del ejemplo. Ejemplo 3-2: Diseño de una transición de flujo supercrítico a subcrítico
Un canal rectangular de 8 pies de ancho transporta 100 pies cúbicos por segundo a una profundidad de 0.5 pies.
El canal está conectado a través de una transición de 50 pies de largo
a otro canal, de 10 pies de ancho, el cual fluye a una profundidad de 4 pies.
Se trata de diseñar la transición, incluyendo el cálculo del perfil de flujo.
Asumir que la fricción en la transición, así como otras pérdidas menores, son despreciables Solución. Utilizar la Ec. 3-9 para calcular la energía total en el extremo aguas arriba de la transición: Ear = 10.214 pies. Del mismo modo, la energía total en el extremo aguas abajo es: Eab = 4.097 pies. La diferencia entre estos dos valores es la pérdida de energía, o pérdida de carga: ΔE = Ear - Eab = 6.117 pies. Esta energía debe ser disipada por la transición de alguna manera. Se consideran los siguientes casos:
A. Disipación súbita de energía.
Los números de Froude aguas arriba y aguas abajo (Eq. 1-9) son, respectivamente:
Far = 6.23, y
La Tabla 3-1 muestra los cálculos de la transición con salto hidráulico. A continuación se describen cada una de las columnas.
La Tabla 3-1 muestra que la fuerza específica para los tirantes bajos (Col. 5) varía poco a lo
largo de la transición, mostrando un valor medio de aproximadamente 78.8 pies cúbicos.
Por otro lado, la fuerza
específica para los tirantes altos (Col. 7) varía en un rango mucho mayor,
desde un valor mínimo de 71.98 pies cúbicos
en el extremo de aguas arriba, hasta un máximo de 87.77 pies cúbicos
en el extremo de aguas abajo. El salto hidráulico
(Sección 9.4) debe ocurrir
en la intersección de las curvas de fuerza específica [Fig. 3-12 (a)]; en este caso,
cerca de la mitad de la transición.
Allí la
superficie del agua saltará del tirante bajo al alto, como lo indica la línea vertical
de la Fig. 3-12 (a). [En la realidad, el salto ocurre a lo largo de una distancia corta, tal como lo muestra la
línea punteada]. La intersección de las curvas de fuerza específica, es decir, la posición del salto, puede cambiarse variando el ancho de las secciones transversales. Adicionalmente, la posición del salto puede cambiarse variando ligeramente la profundidad de flujo inmediatamente aguas abajo (es decir, al final) de la transición. Generalmente, un pequeño aumento en la profundidad aguas abajo moverá el salto hacia aguas arriba; por el contrario, una pequeña reducción en la profundidad moverá el salto hacia aguas abajo. B. Disipación gradual de energía. El salto hidráulico puede evitarse disipando la energía en forma gradual. Esto puede lograrse variando el ancho de la sección transversal, o mejor aún, prescribiendo la elevación del fondo de la transición de tal manera que la línea de energía corresponda a una recta que une las cargas totales en los dos extremos [Fig. 3-12 (b)]. Es recomendable asumir primero el perfil de flujo y luego calcular las dimensiones del fondo elevado siguiendo las leyes hidráulicas respectivas. Se recomiendan los siguientes pasos:
La Tabla 3-2 muestra los cálculos de la transición sin salto hidráulico. Nótese lo siguiente:
El flujo crítico sobre la protuberancia
ocurre a la distancia, medida desde el extremo aguas arriba, en la cual el
tirante del flujo (Col. 9) es igual al tirante crítico (Col. 10).
En este ejemplo, la distancia es
La Figura 3-12 (b) muestra el perfil de la protuberancia de fondo necesaria para proporcionar
una caída gradual en la línea de energía, evitando así el
salto hidráulico. Cabe notar que las curvas de fuerza específica
se intersectan en la vecindades de
sección de flujo crítico
PREGUNTAS
PROBLEMAS
BIBLIOGRAFÍA
Chow, V. T. 1959. Open-channel Hydraulics. McGraw Hill, Nueva York. Henderson, F. M. 1966. Open channel flow. Macmillan, Nueva York.
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