ENERGIA ESPECÍFICA EN CANALES ABIERTOS

CONTENIDO

I. INTRODUCCIÓN: 2

II. OBJETIVOS: 2

III. FUNDAMENTO TEÓRICO: 3

3.1 ENERGÍA ESPECIFICA: 3

3.2 INTERPRETACIÓN DE FENÓMENOS LOCALES: 5

3.2.1 CAÍDA HIDRÁULICA: 5

3.2.1.1 CAÍDA VERTICAL: 6

3.2.1.2 CAÍDA INCLINADA: 6

3.2.2 RESALTO HIDRÁULICO: 7

3.3 CONTRACCIONES: 9

IV. APARATOS Y EQUIPOS UTILIZADOS EN EL LABORATORIO: 11

V. PROCEDIMIENTO: 13

VI. TABLA DE DATOS: 15

VII. CÁLCULOS: 17

VIII. TABLA DE RESULTADOS: 19

IX. GRÁFICAS: 20

X. CONCLUSIONES: 20

XI. BIBLIOGRAFIA: 21

ENERGIA ESPECÍFICA EN CANALES ABIERTOS

INTRODUCCIÓN:

La Energía Especifica en una sección de canal se puede definir como la energía por libra de agua en cualquier sección de un canal medida con respecto al fondo de este, lo cual indica que la Energía Especifica es igual a la suma a la profundidad del agua más la altura de la velocidad. El concepto de Energía Específica se aplica a condiciones de flujo uniforme y permanente, para canales con inclinaciones menores a 5°

Los diagramas de Energía Especifica o Curvas de Energía Específica, se obtienen al graficar la profundidad del flujo contra la energía especifica. En cualquier punto de esta curva, la ordenada representa la profundidad y la abscisa representa la energía específica, que es igual a la suma de la altura de presión y la altura de la velocidad. Donde en este experimento analizaremos el concepto de Energía Específica y desarrollaremos el diagrama de Energía Especifica en una canal de sección de rectangular.

OBJETIVOS:

OBJETIVO GENERAL: Determinar experimentalmente el diagrama de Energía Especifica, la curva “y=h” versus “E” (tirante versus energía específica) en un canal de sección rectangular.

OBJETIVO PARTICULAR: Comprender experimentalmente el concepto de Energía Específica y la relación existente de entre el tirante y la Energía Especifica.

FUNDAMENTO TEÓRICO:

ENERGÍA ESPECIFICA:

La energía específica en la sección de un canal se define como la energía por kilogramo de agua que fluye a través de la sección, medida con respecto al fondo del canal.

De la ecuación de Bernoulli, para una sección del canal es:

E=Z+y+α v²/2g …..(1)

Donde Z = 0 (ya que el nivel de referencia es el fondo del canal) obteniéndose la ecuación de la energía específica:

E=y+α v^2/2g

Donde:

E : Energía Específica

y = h : Tirante o profundidad

α: Coeficiente de Coriolis

v : Velocidad media del flujo

Si se considera α = 1 y se tiene en cuenta la ecuación de continuidad:

v=Q/A…..(2)

Dónde:

Q = Descarga o caudal

A = Área de la sección

reemplazando valores en la ecuación (1 se obtiene:

E=y+α v^2/2g…..(3)

Siendo: A = b*y, (b = ancho del canal)

La Energía Específica según la Ecuación (3) es entonces función de la descarga o caudal “Q” y del tirante “y = h”.

Si se considera la descarga o el caudal constante y se hace variar el tirante, se obtienen valores de “y = h” versus “E”.

Estos valores se pueden llevar a un gráfico obteniéndose la Curva de Energía Específica a caudal constante, la cual posee las siguientes características:

Figura 1. Curva de energía especifica

Fuente: Hidráulica de canales abiertos, Ven Te C., Pág. 42

Para un mismo valor de “E” existen 2 valores posibles del tirante del escurrimiento, los cuales son y₁ e y₂, que se denominan tirantes alternos.

Al tirante correspondiente a “E min” se le llama tirante crítico “yc = hc” y a la velocidad correspondiente, velocidad crítica “Vc”; tratándose de un canal rectangular se puede demostrar que el tirante crítico es igual a:

Siendo: q = Q b, el caudal unitario

Así mismo, la velocidad crítica:

Si: y₁ < yc entonces el flujo corresponde al estado supercrítico

Si: y₂ > yc entonces el flujo corresponde al estado sub crítico

INTERPRETACIÓN DE FENÓMENOS LOCALES:

En los canales abiertos a menudo ocurren cambios en el estado de flujo subcrítico a supercrítico, y viceversa. Tales cambios se manifiestan con un correspondiente cambio en la profundidad de flujo de una profundidad alta a una profundidad baja, o viceversa. Si el cambio ocurre con rapidez a lo largo de una distancia relativamente corta, el flujo es rápidamente variado y se conoce como fenómeno local. La caída local y el resalto hidráulico son dos tipos de fenómenos locales, los cuales se describen a continuación.

CAÍDA HIDRÁULICA:

Las caídas son estructuras de conducción en el sistema de distribución de una zona de riego, que tienen por objeto salvar los desniveles que se van acumulando, debido a las diferencias existentes entre las pendientes del canal y la natural del terreno, correspondiente al eje longitudinal de ese mismo, sin que los tramos de canal aguas arriba y aguas abajo de la estructura se vean alterados por los efectos debidos a las altas velocidades que se desarrollen por el desnivel entre uno y otro tramo.

En la región de transición de la caída hidráulica a menudo aparece una curva invertida que conecta las superficies del agua antes y después del agua. El punto de inflexión en la curva inversa marca la posición aproximada de la profundidad critica para la cual la energía especifica es mínima y el flujo pasa de un estado subcrítico a un estado supercrítico.

Figura 2. Aplicación de la ecuación de cantidad de movimiento a una caída o escalón negativo

Fuente: Hidráulica II, Rodríguez P., Pág. 165

Figura 3. Presencia de flujo supercrítico y subcrítico en una caída inclinada con tanque amortiguador rectangular, “unidad de riego rural Huitzo”

Fuente: Hidráulica II, Rodríguez P., Pág. 135

Las caídas se subdividen en: verticales e inclinadas

3.2.1.1 CAÍDA VERTICAL:

En esta estructura el desnivel entre el tramo de canal superior y el canal inferior se une por medio de un plano vertical, permitiendo que el agua brinque libremente y caiga en el tramo de abajo. El plano vertical es un muro de sostenimiento de tierras, capaz de soportar el empuje que ocasionen éstas.

Figura 4. Caída Vertical, unidad de riego “Matamba”, Oaxaca

Fuente: Hidráulica II, Rodríguez P., Pág. 337

3.2.1.2 CAÍDA INCLINADA:

Denominada también rápida corta con pendiente longitudinal equivalente al talud natural del terreno, generalmente adoptada como la correspondiente al talud 1.5:1, que equivale a una pendiente igual a 0,6667. La “diferencia fundamental” con la caída vertical, es que en vez del muro de sostenimiento de tierras, sólo requiere un canal revestido de poco espesor (10 a 15 cm en concreto).

Figura 5. Caída Vertical, unidad de riego “Matamba”, Oaxaca

Fuente: Hidráulica II, Rodríguez P., Pág. 337

La caída libre es un caso especial de la caída hidráulica. Esta ocurre cuando existe una discontinuidad en el fondo de un canal plano. A medida que la caída libre avanza en el aire en forma de lámina, no existirá curva invertida en la superficie del agua hasta que esta choque con algún objeto en la elevación mas baja. Es una ley natural que, si no se añade energía externa, la superficie del agua buscará siempre la posición mas baja posible, la cual corresponde al menor contenido posible de disipación de energía.

Figura 6. Caída libre interpretada mediante una curva de energía especifica

Fuente: Hidráulica de canales abiertos, Ven Te C., Pág. 44

RESALTO HIDRÁULICO:

El resalto hidráulico o salto hidráulico es un fenómeno local, que se presenta en el flujo rápidamente variado, el cual va siempre acompañado por un aumento súbito del tirante y una pérdida de energía bastante considerable (disipada principalmente como calor), en un tramo relativamente corto. Es el paso violento de un régimen supercrítico (rápido) a régimen subcrítico (lento) con gran disipación de energía, es decir, en el resalto hidráulico el tirante, en un corto tramo, cambia de un valor inferior al crítico a otro superior a éste.

Figura 7. Resalto hidráulico

Fuente: Hidráulica de Tuberías y Canales, Rocha A., Pág. 180

Figura 8. Curva de energía específica para un salto hidráulico.

Fuente: Hidráulica II, Rodríguez P., Pág. 254

Generalmente, el resalto se forma cuando en una corriente rápida existe algún obstáculo o un cambio brusco de pendiente. Esto sucede al pie de estructuras hidráulicas tales como vertederos de demasías, rápidas, salidas de compuertas con descarga por el fondo, etc.

Figura 8. Salto hidráulico con escalón (elevación

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