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1. INTRODUCCIÓN

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by

nicole paredes leon

on 10 July 2014

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Transcript of 1. INTRODUCCIÓN

2. DEFINICIÓN
Un canal abierto es un sistema de flujo donde la superficie está expuesta a la atmósfera.
Algunos ejemplos son las canaletas pluviales en los edificios, drenes pluviales, ríos y corrientes naturales y los canales construidos para drenar fluidos en forma controlada.

3. CLASIFICACIÓN DEL FLUJO DE CANALES ABIERTO
1. INTRODUCCIÓN
En ingeniería se denomina canal a una construcción destinada al transporte de fluidos, generalmente utilizada para agua, y que, a diferencia de las tuberías, es abierta a la atmósfera. También se utilizan como vías artificiales de navegación. La descripción del comportamiento hidráulico de los canales es una parte fundamental de la hidráulica y su diseño pertenece al campo de la ingeniería hidráulica, una de las especialidades de la ingeniería civil.
RADIO HIDRÁULICO
La dimensión característica de los canales abiertos es el radio hidráulico, definido como la relación del área transversal neta de una corriente al perímetro mojado de la sección.
R=A/PM=Area/(Perimetro mojado)
En el cálculo del radio hidráulico, el área de la región transversal debe ser evidente a partir de la geometría de la sección. Al perímetro mojado se define como la suma de la longitud de las fronteras solidas de la sección que entran con el contacto con el fluido. E

TIPOS DE FLUJO EN CANALES ABIERTOS
El número de Reynolds y los términos laminar y turbulento no bastan para caracterizar todas las clases de flujo en los canales abiertos .Además de la viscosidad versus los efectos inerciales, también es importante la relación de las fuerzas inerciales a las gravitacionales, dada por el número de Froude N_F , definido como

FLUJO EN CANALES ABIERTOS
• FLUJO ESTABLE UNIFORME
Ocurre cuando el flujo volumétrico permanece constante en la sección de interés y la profundidad del fluido en el canal no varía. Para lograr el flujo estable uniforme, la sección transversal del canal no debe cambiar a lo largo de su longitud. Un canal asi recibe el nombre de primatico.
• FLUJO ESTABLE VARIADO
Ocurre cuando la descarga permanece constante, pero la profundidad del fluido varia a lo largo de la sección de interés.es to sucede si el canal no prismático.
• FLUJO INESTABLE VARIADO:
El flujo inestable variado tiene lugar cuando la descarga cambia con el tiempo lo que origina modificaciones en profundidad del fluido a lo largo de la sección de interés, sea canal prismático o no.
SECCION 1. El flujo comienza en un depósito donde el flujo se encuentra prácticamente en reposo. La compuerta de esclusa es un dispositivo que permite que el fluido flujo del depósito por un punto bajo la superficie. La variación rápida del flujo ocurre cerca de la compuerta conforme el fluido acelera, con lo que es probable que su velocidad llegue a ser grande en esa zona.
SECCION 2. Si el canal, aguas abajo de la compuerta es esclusa, es relativamente corto, y si su sección transversal no varía mucho, entonces ocurre un flujo variado en forma gradual. Si el canal es primatico y con longitud suficiente, entonces se desarrolla un flujo uniforme.

SECCION 3 La formación de un salto hidráulico es un fenómeno curioso del flujo en canales abiertos. El flujo antes del salto es muy rápido y de poca profundidad relativa. En el salto, el flujo se vuelve muy turbulento y se disipa una gran cantidad de energía. Después del salto, la velocidad del flujo es mucho menor y la profundidad es mayor.
SECCION 4. Un vertedor es una obstrucción que se coloca ante la corriente y que ocasiona un cambio brusco en la sección transversal del canal. Los vertederos se usan como dispositivos de control o para medir el flujo volumétrico. Es común que el flujo varié con rapidez cuando pasa sobre el vertedor, y forme una “cascada” (llamada napa) aguas debajo de este.
SECCION 5 Igual que en la sección 2. Si el canal es prismático el flujo de aguas debajo de vertedor varía en forma gradual, por lo general.
SECCION 6 Una caída hidráulica ocurre cuando la pendiente del canal se incrementa en forma repentina con un ángulo empinado. El flujo acelera por acción de la gravedad y entonces se da la variación rápida.

4. FLUJO ESTABLE EN CANALES ABIERTO

• El símbolo S indica la pendiente de la plantilla del canal y Sw para la pendiente de la superficie del agua
• Para un flujo uniforme S y SW serán iguales, y este existe si solo si el canal es prismático lo que significa que sus lados son paralelos a un eje en dirección del flujo, algunos ejemplos de canales prismáticos con aquellos con secciones rectangulares, trapezoidales, triangulares y circulares que van parcialmente llenos.
• La pendiente de S debe ser constante, si esta cambia entonces la corriente seria convergente o divergente y habría flujo variado.
• En el flujo uniforme la fuerza impulsora del flujo la provee el componente del peso del fluido que actúa a lo largo del canal, como se observa en la figura 14 .4 esta fuerza es vv sen 6, donde w es el peso de un elemento dado de fluido, y 0 es el ángulo de la pendiente de la plantilla del canal. Si el flujo es uniforme, no debe acelerar Por tanto, debe haber una fuerza opuesta igual que actúe a lo largo de la superficie del canal

ECUACION DE MANNING
Al igualar la expresión de la fuerza impulsora con la de aquella que se le opone, se obtiene una expresión para la velocidad promedio del flujo uniforme. Robert Manning desarrolló una forma de la ecuación resultante que es común utilizar. En unidades del SI, la ecuación de Manning se escribe así:
5. GEOMETRÍA DE LOS CANALES ABIERTOS
Las formas que se utiliza con más frecuencia para los canales abiertos son la circular, rectangular, trapezoidal y triangular. La tabla proporciona las fórmulas para obtener las características geométricas relacionadas con los calculados de flujo en dichos canales.
La forma de trapecio
: es la más popular por varias razones.:
Es eficiente porque da un área de flujo grande en relación con el perímetro mojado.
Los lados inclinados son convenientes para los canales que se excava porque es posible darles el ángulo donde los materiales de construcción son estables.

El rectángulo es un caso especial del trapecio con pendiente de sus lados de 90°, ó z = 0. Es frecuente que los canales construidos con concreto colado tengan esta forma
El canal triangular también es un caso especial del trapecio con ancho de plantilla igual a cero. Con frecuencia las canaletas sencillas en tierra adoptan esta forma.

FORMAS EFICIENTES DE LOS CANALES ABIERTOS

Las formas que se utiliza con más frecuencia para los canales abiertos son : trapezoidal, triangular, circular y rectangular

SALTO HIDRÁULICO
Cuando un fluido a altas velocidades descarga a zonas de menores velocidades, se presenta una ascensión abrupta en la superficie del fluido. Éste fluido es frenado bruscamente e incrementa la altura de su nivel, convirtiendo parte de la energía cinética inicial del flujo en energía potencial, sufriendo una inevitable pérdida de energía en forma de calor.






Para que tenga lugar un salto hidráulico, el flujo antes de él debe estar en el rango supercrítico. Es decir en la sección 1, y1 es menor que la profundidad crítica del canal, y el número de Froude NF1 es mayor que 1.0.

MEDICIÓN DE FLUJO EN CANALES ABIERTOS
Un canal abierto es aquel cuya superficie superior está abierta a la atmósfera.
Es frecuente que las industrias utilicen canales abiertos para producir refrigerantes fuera de la maquinaria y reúnan el exceso de fluidos de los procesos para llevarlos a tanques de almacenamiento.
Dos dispositivos que se emplean mucho para medir el flujo en canales abiertos son vertedores y aforadores.
Ambos hacen que el área de la corriente cambie lo que a su vez modifica el nivel de la superficie del fluido.
La forma de trapecio es la más popular por varias razones:

ENERGÍA EN CANALES ABIERTOS:

En hidráulica se sabe que la energía total del agua en metros-kilogramos por kilogramos de cualquier línea de corriente que pasa a través de una sección de canal puede expresarse como la altura total en pies de agua, que es igual a la suma de la elevación por encima del nivel de referencia, la altura de presión y la altura de velocidad.

ENERGIA ESPECÍFICA:

La energía específica en una sección de canal se define como la energía de agua en cualquier sección de un canal medida con respecto al fondo de este.
Para un canal de pendiente pequeña y =1, la ecuación se convierte en

FLUJO CRITICO:

Se dice que el flujo crítico es cuando el número de Fraude F1=1 y en consecuencia la velocidad del flujo sea igual a la velocidad de la onda donde Yc es la profundidad crítica del flujo:





Por lo general, al estudiar la energía en el flujo en canales abiertos, se involucra la determinación de la energía que posee el fluido en una sección particular de interés.


VERTEDEROS
Un vertedero es una barrera de forma especial que se instala en un canal abierto a través de la cual el fluido pasa como chorro libre al otro lado de ella.
La cresta debe ser afilada y no es raro que esté hecha de una hoja delgada de metal que se integra a una base grande.
La superficie superior de la base se corta con un ángulo agudo en el lado de aguas abajo para asegurar que el fluido salte como chorro libre.

AFORADORES
Los aforadores de flujo crítico son contracciones en la corriente que hacen que el flujo alcance su profundidad crítica dentro de dichas estructuras. Hay una relación definida entre la profundidad y la descarga cuando se da el flujo crítico.
.Un tipo de embudo de flujo crítico que se utiliza es el PARSHALL, cuya geometría se presenta en la siguiente figura

TIPOS DE VERTEDERO
Vertedero Rectangula
r: Tan bien llamado vertedor suprimido tiene una cresta de longitud “L” que se extiende a todo lo ancho del canal en el que haya instalado
Vertedor Contraído:
Un vertedor contraído es una vertedor rectangular que tiene sus lados extendidos hacia adentro por los lados del canal en una distancia de al menos 2Hmax. La corriente del fluido debe entonces contraerse conforme fluye por los lados del vertedor, disminuyendo ligeramente la longitud efectiva del vertedor.
Vertedor Cipolletti
: Tan bien esta contraído respecto de los lados de la corriente en una distancia de al menos 2Hmax y tiene sus lados con pendiente hacia fuera, como se ilustra en la figura anterior. Se aplican los mismos requerimientos que para el vertedor rectangular contraído
TIPOS DE AFORADORES

AFORADOR DE CODO:
Es uno de los medidores de caudal mas simple, las aberturas piezométricas en el lado interno y externo del codo se conectan a un manómetro diferencial. Debido a la fuerza centrífuga en la curva, la diferencia de presiones está relacionada con el caudal. Una longitud recta de apaciguamiento debe preceder el codo, y para resultados mas exactos el medidor debería calibrarse in situ.

AFORADOR DE PARSHALL:
El aforador Parshall es un aparato calibrado para medir el agua en los canales abiertos. Es de forma abierta tiene una sección convergente, una garganta, y una sección divergente.
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