Flujo Gradualmente Variado

Flujo gradualmente variado

El flujo gradualmente variado constituye una clase especial del flujo permanente no uniforme, se caracteriza por una variación continua del tirante a lo largo del canal (figura 1). Este tipo de flujo se presenta en la llegada o salida de estructuras hidráulicas tales como represas, compuertas, vertederos, etc.; y en general cuando las condiciones cambian abruptamente, o bien cuando en el recorrido se presenta algún obstáculo que haga variar las condiciones del movimiento.

Consideraciones para el estudio del FGV

Para llegar a desarrollar un análisis práctico a este tipo de flujo se adoptan las siguientes hipótesis:

1. El flujo es permanente: Flujo constante en el tiempo.

2. En cada sección del canal, la distribución de presiones es hidrostática: Las líneas de corriente son paralelas.

3. La pendiente de la conducción es pequeña y uniforme.

4. El canal es prismático: a forma y la alineación no varían.

5. El coeficiente de Coriolis (α) se mantiene constante.

6. El coeficiente de rugosidad es constante e independiente del tirante.

7. Se permite el uso de las mismas fórmulas del flujo uniforme, considerandoúnicamente que la pérdida de energía por fricción es la más importante

Curvas de remanso

Se llaman curvas de remanso o ejes hidráulicos, a los perfiles longitudinales que adquiere la superficie libre del líquido en un canal cuando se efectúa un escurrimiento bajo las condiciones del flujo gradualmente variado. Acudiendo a la ecuación dinámica del flujo gradualmente variado y basándose en observaciones empíricas se han logrado obtener los diferentes tipos de curvas, cuya forma depende de las condiciones de tirantes y pendientes que se tengan en cada caso. Para un caudal y unas condiciones de canal determinados las líneas de profundidad normal y las líneas de profundidad crítica dividen el espacio de un canal en tres zonas:

Zona 1. El tirante real de escurrimiento posee valores mayores que el normal y el crítico

Zona 2. El tirante real de flujo se encuentra entre el normal y el crítico

Zona 3. El tirante real está por debajo de los valores del normal y el crítico

4.2 FLUJO GRADUALMENTE VARIADO

Habíamos anunciado antes que el flujo o movimiento gradualmente variado el flujo permanente cuya profundidad varia gradualmente a lo largo del canal. Implícitamente se acepta que las características hidráulicas del flujo permanecen constantes a lo largo del tiempo y los filetes líquidos son prácticamente paralelos, lo que indica que en cada sección se tiene una distribución hidrostática de las presiones. Debido a que este flujo implica cambios pequeños en el tirante, se refiere a longitudes grandes del canal.

Además, se aceptan las siguientes hipótesis:

1. Las perdidas de carga en cada sección son las mismas que para un flujo uniforme que tenga la velocidad y radio hidráulico de la sección. Esto es, la pérdida más importante es la de fricción y para determinar la pendiente del gradiente de energía se utilizan las mismas fórmulas en flujo uniforme.

2. La pendiente del canal es pequeña, así que se consideran aproximadamente iguales los tirantes vertical y normal al fondo del canal.

3. El canal tiene lineamiento y forma constantes.

4. El coeficiente de rugosidad del canal es independiente de la profundidad de flujo.

5. La curva de distribución de velocidades en cualquier sección tiene la misma forma, por lo que coeficiente de Coriolis es constante.

Aparte de las consideraciones anteriores, analicemos el perfil flujo gradualmente variado en una longitud elemental dx de un canal abierto (figura 4.16):

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