Hidraulica de canales abiertos.

HIDRÁULICA DE CANALES ABIERTOS

Un flujo de agua es un conducto, este puede ser flujo en canal abierto o flujo en tubería.  Se diferencia de que el primero debe tener una superficie libre mientras que la segunda no la tiene, ya que su función es llenar toda la tubería con el agua. También se puede decir que sobre los canales abiertos se ejerce una presión atmosférica mientras que en canales de tuberías se le aplica una presión hidráulica. Las condiciones de flujo en canales abiertos se complican por el hecho de que la posición de la superficie libre puede cambiar con el tiempo y espacio, como también el hecho de que la profundidad de flujo, caudal y las pendientes del fondo y superficie del canal son interdependientes.  En estos canales también se dan unas condiciones físicas que son: tiene cualquiera forma, la superficie varía de metales pulidos a lechos rugosos.

El flujo en canales abiertos puede clasificarse en muchos tipos: flujo permanente es aquel que se da cuando la profundidad de flujo no cambia, el flujo no permanente es aquel cuando la profundidad de flujo cambia en un intervalo de tiempo.  Para cualquier flujo el caudal se calcula con la siguiente expresión:. Donde V representa la velocidad media y A el área de la sección. En la mayor parte de los problemas de flujo permanente el caudal es constante, lo que quiere decir que se presenta la ley de continuidad mientras que en un flujo no permanente se requiere la consideración del tiempo. También se presenta el flujo uniforme, que es cuando la profundidad de flujo es la misma en cada sección del canal. El flujo variado lo contrario al uniforme, este se divide en Flujo rápidamente variado, si la profundidad varia abruptamente en distancias cortas y gradualmente variado lo contrario al anterior. [pic 1]

El estado o comportamiento del flujo en canales abiertos está gobernado básicamente por los efectos de viscosidad y gravedad en relación con las fuerzas inerciales del flujo. El flujo puede ser laminar, turbulento o transicional según el efecto de la viscosidad en relación con la inercia. El efecto de la viscosidad en relación con la inercia puede representarse mediante el número de Reynolds: [pic 2]

El efecto de la gravedad sobre el estado de flujo se representa por relación de las fuerzas inerciales y las fuerzas gravitacionales, esta está dada por el numero de Froude   y cuando F es igual a la unidad se convierte en . El flujo es subcrítico <1, cuando el efecto de las fuerzas gravitacionales es mayor que las fuerzas inerciales, el flujo se considera de baja velocidad. Supercrítico >1, cuando el efecto de las fuerzas gravitacionales es menor que las fuerzas inerciales, el flujo se considera de alta velocidad y critico cuando las fuerzas gravitacionales y las inerciales son iguales. [pic 3][pic 4]

Los canales abiertos pueden ser de origen natural o artificial. Los canales naturales incluyen todos los cursos de agua que existen de manera natural en la tierra y los artificiales son aquellos construidos o desarrollados mediante el esfuerzo humano. Un canal construido con una sección transversal invariable y una pendiente de fondo constante se conoce como un canal prismático, sino cumple con estas características es denominado no prismático. La sección transversal de un canal en forma perpendicular a la dirección del flujo. Sección vertical la que pasa a través del punto más bajo de la sección del canal. Canales horizontales la sección siempre es vertical al canal. Y las secciones naturales son irregulares y varia en forma de parábola y aproximarse a un trapecio. Y los artificiales se diseñan con figuras geométricas.

Los elementos geométricos son propiedades de una sección de canal que pueden ser definidos por completo por la geometría de la sección y profundidad de flujo. Las secciones regulares y simples,  los elementos geométricos pueden expresarse matemáticamente en términos de profundidad de flujo que se refiere a la distancia vertical desde el punto más bajo de una sección del canal hasta la superficie libre y el flujo de sección es la profundidad de flujo perpendicular a la dirección de este. En cada figura geométrica se determinan sus elementos a través de sus respectivas ecuaciones  como el área(A), perímetro mojado (P), radio hidráulico(R), ancho superficial (T) y profundidad hidráulica (D).

Debido a la presencia de la superficie libre y a la fricción a lo largo de las paredes del canal, las velocidades en un canal no están uniformemente distribuidas en la sección. La máxima velocidad medida en canales normales a menudo ocurre por debajo de la superficie libre a una distancia de 0.05 a 0.25 de la profundidad, cuando más cerca este de las bancas, más profundo se encuentra. De acuerdo con el procedimiento para el aforo de corrientes, la sección transversal del canal se divide en franjas verticales por medio de un determinado número de verticales es sucesivas y las velocidades medias en las verticales se determinan midiendo a 0.6 de la profundidad en cada vertical o tomando el promedio de velocidades a 0.2 y 0.8 de la profundidad, cuando se requiere resultados más confiables.

...