Hidráulica de canales

Hidráulica de canales

Semestre: 7mo Grupo: B

INTEGRANTES:

VELAZQUEZ GUTIERREZ JESUS

LICONA GUTIERREZ SANTOS ALEJANDRO

MARTINEZ GUERRERO SERGIO ALBERTO

Análisis del FLUJO CRITICO

Nuestra discusión del análisis de flujo crítico y del diagrama E-Y (ecuación 2.6) dice que en esta condición existe una relación única entre la profundidad del flujo y el caudal. Para un rango de valores del caudal y energía específica, el flujo ocurrirá únicamente a una profundidad en la condición crítica. Este estado en el cual existe una relación profundad – caudal fija es llamado control hidráulico, y es de importancia en el estudio del flujo en canales, particularmente en la regulación y medida del caudal; lo anterior hace pensar que cualquier estructura que actúe como control; el caudal puede calcularse a partir del conocimiento de la profundidad de flujo.

El control hidráulico es una forma especial de transición y se consigue insertando una estructura (o dispositivo especial) que cambie la naturaleza del flujo de subcrítico a supercrítico. Durante este cambio de régimen de flujo, este debe pasar por la condición crítica y se establece el control hidráulico.

La estructura especial que se inserta en el canal que produce el control hidráulico debe asegurar un estrechamiento (reducción) seguida por una expansión, ya sea en el plano horizontal o en el plano vertical..

Los mecanismos de contracción seguidos por expansión para producir un control se pueden presentar en una forma general pensando que el estado de flujo crítico tiende a ocurrir en la sección de máximo estrechamiento antes de que el agua sea liberada en una región donde no existan restricciones para el flujo. Un ejemplo es mostrado en la figura 2.5a, en la cual el agua es liberada desde un lago a través de una pequeña cresta que permite que caiga libremente aguas abajo. Esta última condición implica que: una caída libre a una corta distancia aguas abajo o, una pendiente fuerte tal que la resistencia del lecho no imponga una restricción al flujo.

a) salida libre desde un lago b) Cambio en la pendiente del fondo

Figura 2.5 Ejemplos de flujo crítico

En la cresta, el flujo será crítico. Similarmente cuando la pendiente del fondo cambia de media a fuerte como lo mostrado en la figura 2.5b, el flujo debe ser crítico en el quiebre.

Estos ejemplos particulares muestran en forma clara conceptos físicos que son dignos de reiterar. Lo que estos casos tienen en común es de alguna manera el mecanismo de liberar el agua, el cual es retenido previamente por las paredes laterales del lago o la rugosidad del lecho del canal, y después es liberada en una región donde estos retardos o restricciones al flujo no existen o son muy pequeños para forzar al flujo a una condición subcrítica. El flujo es siempre crítico en o cerca al punto de liberación.

Como podría esperarse, hay otros mecanismos de control que pueden mostrar cual es la profundidad para un caudal dado y viceversa. Un ejemplo obvio es una compuerta, ya que para una posición de abertura hay una cierta relación entre el caudal y la profundidad del flujo aguas arriba. Los vertederos y aliviaderos son otros ejemplos de mecanismos de control, los cuales los analizaremos en la sección 5 de este capítulo.

La ecuación (2.10) dice que en estado de flujo crítico la velocidad en un canal rectangular es igual a . Este término es también igual a la velocidad con la cual una onda de poca amplitud se propaga en aguas profundas y desde aquí nace uno de las más importantes características de flujo crítico. Como la velocidad de flujo es mayor que la velocidad de onda en flujo supercrítico, cualquier perturbación u onda producida aguas abajo no será capaz de moverse aguas arriba, alternativamente, cualquier mecanismo de control aguas abajo del flujo supercrítico, por ejemplo, aguas abajo de un vertedero, será incapaz de influenciar las condiciones aguas arriba. EL flujo subcrítico está sujeto a control aguas abajo y como tal, una estructura hidráulica para controlar flujo subcrítico debe ser localizada aguas abajo. Contrariamente, el flujo supercrítico no puede ser influenciado por ninguna estructura aguas abajo; por eso el control para flujo supercrítico debe localizarse aguas arriba.

Los principios generales que tienen que ver con la localización de un control se pueden ilustrar considerando una compuerta. En la figura 2.6 una compuerta es localizada en un canal de pendiente media. Puesto que el flujo aguas arriba de la compuerta es subcrítico, este es controlado por la estructura aguas abajo. En este caso la compuerta controla efectivamente el flujo, ya que la posición de la abertura determina una relación profundidad- caudal. La Figura 2.7 muestra la salida del flujo de un lago a un canal con pendiente fuerte. Si la compuerta es colocada aguas abajo de la salida no será posible un control efectivo del canal para pendientes fuertes, el flujo critico debe ocurrir a la salida del lago y a partir de ahí debe ser supercrítico.

El control hidráulico que determina el caudal está en la salida del lago; la compuerta no ayuda a controlar este caudal. El flujo es supercrítico una vez pasa el control y desconoce que existe una compuerta aguas abajo, si la compuerta es requerida para controlar el caudal efectivamente, está debe colocarse correctamente a la salida del lago. Se debe considerar la posibilidad de que la compuerta mostrada en la figura 2.7 afecte el flujo aguas arriba. Por ejemplo, si la compuerta se cierra lo suficiente para que el agua detrás de ella se remanse, permitiendo un resalto hidráulico aguas arriba. Si este proceso se continua, el resalto podría llegar a la salida del lago estableciendo flujo subcrítico desde el lago hasta la compuerta, con lo cual podría controlar el caudal.

El principio general el cual emerge es que el control pudo ser “ahogado” y privado de su función por un fuerte control aguas abajo.

Figura 2.6. compuerta aguas Abajo de un flujo subcritico Figura 2.7. Compuerta aguas arriba de un flujo supercritico

MEDICION DE CAUDALES EN FLUJO A PRESIÒN Y A SUPERFICIE LIBRE

1. AFORO DE CAUDAL EN SISTEMAS A PRESIÓN

1.1. Factores Para La Elección Del Tipo De Medidor De Fluido

• Rango: los medidores disponibles en el mercado pueden medir flujos desde varios mililitros por segundo (ml/s) para experimentos precisos de laboratorio hasta varios miles de metros cúbicos por segundo (m3/s) para sistemas de irrigación de agua o agua municipal o sistemas de drenaje. Para una instalación de medición en particular, debe conocerse el orden de magnitud general de la velocidad de flujo así como el rango de las variaciones esperadas.

• Exactitud requerida: cualquier dispositivo de medición de flujo instalado y operado adecuadamente puede proporcionar una exactitud dentro del 5 % del flujo real. La mayoría de los medidores en el mercado tienen una exactitud del 2% y algunos dicen tener una exactitud de más del 0.5%. El costo es con frecuencia uno de los factores importantes cuando se requiere de una gran exactitud.

• Pérdida de presión: debido a que los detalles de construcción de los distintos medidores son muy diferentes, éstos proporcionan diversas cantidades de pérdida de energía o pérdida de presión conforme el fluido corre a través de ellos. Excepto algunos tipos, los medidores de fluido llevan a cabo la medición estableciendo una restricción o un dispositivo mecánico en la corriente de flujo, causando así la pérdida de energía.

• Tipo de fluido: el funcionamiento de algunos medidores de fluido se encuentra afectado por las propiedades y condiciones del fluido. Una consideración básica es si el fluido es un líquido o un gas. Otros factores que pueden ser importantes son la viscosidad, la temperatura, la corrosión, la conductividad eléctrica, la claridad óptica, las propiedades de lubricación y homogeneidad.

• Calibración: se requiere de calibración en algunos tipos de medidores. Algunos fabricantes proporcionan una calibración en forma de una gráfica o esquema del flujo real versus indicación de la lectura. Algunos están equipados para hacer la lectura en forma directa con escalas calibradas en las unidades de flujo que se deseen. En el caso del tipo más básico de los medidores, tales como los de cabeza variable, se han determinado formas geométricas y dimensiones estándar para las que se encuentran datos empíricos disponibles. Estos datos relacionan el flujo con una variable fácil de medición, tal como una diferencia de presión o un nivel de fluido.

1.2. TIPOS DE MEDIDORES DE CAUDAL

1.2.1. Medidores De Cabeza Variable

El principio básico de estos medidores es que cuando una corriente de fluido se restringe, su presión disminuye por una cantidad que depende de la velocidad de flujo a través de la restricción, por lo tanto la diferencia de presión entre los puntos antes y después de la restricción puede utilizarse para indicar la velocidad del flujo. Los tipos más comunes de medidores de cabeza variable son el tubo venturi, la placa orificio y el tubo de flujo.

1.2.1.1. Tubo Venturi

El flujo desde la sección principal en la sección 1 se hace acelerar a través de la sección angosta llamada garganta, donde disminuye la presión del fluido, después se expande el flujo a través de la porción divergente al mismo diámetro que la tubería principal. En las paredes de la tubería,

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