FLUJO EN CANALES ABIERTOS

SALTO HIDRAULICO

CARACTERISTICAS DEL FLUJO BRUSCAMENTE VARIADO:

Para comprender mejor la formacin del fenmeno llamado, salto hidrulico conviene observar que alguno de los perfiles que se estudiaron en el captulo anterior se caracterizan por estar sujeto a discontinuidades o cambios brusco .en efecto el tramo pequeo en que se presenta una alteracin brusca del perfil longitudinal de la superficie libre del agua ,se forma el llamado flujo bruscamente variado y de los casos que pueden presentarse es sin duda el de mayor inters para el ingeniero ,el salto hidrulico ,que se caracteriza por que el flujo experimenta un cambio violento de rgimen supercrtico o subcrtico.

Si en el canal se tienen pendientes longitudinales menores de que la crtica, nulas o negativas y por algn motivo el nivel del agua se encuentra abajo del crtico ,existe una tendencia a que el perfil se eleve hasta encontrarse con una discontinuidad al llegar a la altura del tirante critico, son estos perfiles los que corresponden a la primera parte de un salto hidrulico que podra llamarse natural, ya que al encontrarse el escurrimiento con un tirante menor que el crtico y en una zona en que< existe la tendencia a que el flujo se estabilice pasando a la zona subcrtica.

Ahora bien, sucede esto en forma gradual o brusca? La intuicin o la teora no nos ayuda suficientemente a contestar esta pregunta; solo la experimentacin muestra con claridad que el cambio de que se habla, se realiza bruscamente. En efecto, se observa que el agua salta de la zona supe crtica a la zona subcrtica, en medio de gran turbulencia y, por consiguiente, de fuerte disipacin de energa, y dicho que cambio se presenta en un tramo relativamente corto.

Desde luego, el salto hidrulico existir siempre que, por algn motivo, se garantice un tirante subcrtico aguas abajo de la zona supercrtica, aun cuando fuera mayor que , como sucedera si aguas abajo se tuviera un remanso provocado por una compuerta, un lago, etc. Sin embargo, este es un caso en que el salto queda forzado por dos tirantes fijos de antemano y se trata realmente de una estabilizacin de dos niveles. No es, por lo tanto, el fenmeno al que se referir este captulo, que como se dijo antes, se caracteriza por una tendencia natural que tiene el tirante de la zona supercrtica a pasar a la subcrtica, aun cuando el tirante en esta ltima zona no est garantizado como estable.

Caractersticas generales del salto hidrulico.

Supngase que un canal descarga a un lago cuyo nivel corresponde a la zona de rgimen subcrtico en el canal. Si la descarga est controlada por una compuerta como se observa en la fig. 5.1 y se abre dicha compuerta en las posiciones 1, 2, o 3, todas por debajo del tirante crtico, en los 3 casos el nivel del agua subir hasta alcanzar el de la superficie del agua, ya que supuestamente este tiene una masa de agua mucho mayor que la que fluye por el canal.

Ahora bien, en qu forma se restablece el equilibrio? En el subtema 5.2.1 se estudiara que pueden representarse tres formas diferentes de transicin de tirantes al (figuras 5.1).

El paso de un rgimen supe critico a subcrtico en un tramo perfectamente definido es, como ya se indic, el fenmeno conocido como salto hidrulico. Este cambio brusco de rgimen se caracteriza por una alteracin rpida de la curvatura de las trayectorias del flujo, que produce vrtices de eje horizontal, lo que implica inclusive la aparicin de velocidades en direccin opuesta al flujo (tal como se ve en las figuras referidas), que propician choques entre partculas en forma ms o menos catica, ocasionando una gran disipacin de energa y una alteracin manifiesta de las presiones hidrostticas.

Precisamente la gran prdida de energa provocada en el salto, es lo que convierte al salto hidrulico en un fenmeno deseable para el proyectista, ya que en muchas ocasiones se requiere disminuir drsticamente la velocidad del escurrimiento en zonas en que no importa que sea grande el tirante, pero si conviene ahorrar en revestimiento al obtenerse velocidades no erosivas.

Un caso tpico, y sin duda el ms usado, es el de provocar el salto hidrulico al terminar una obra de excedencias, ya sea al pie de un cimacio o al final de un canal de descarga. Desde luego, la zona donde se presenta el salto, debido a su gran turbulencia, debe protegerse adecuadamente y por tal razn, se confina en una estructura reforzada llamada tanque de amortiguador, cuyas caractersticas se describirn en el subtema siguiente.

Figura 5.1

5.2.1 Tipos de salto hidrulico.

La figura 5.1 muestra los tres tipos de salto que pueden presentarse, segn sea el tirante (despus del salto); menor, igual o mayor al tirante fijo aguas abajo .

El porqu de que exista un solo tirante subcritico correspondiente a un supercritico, se explicara posteriormente. Por ahora, si se considera que no hay cambio en la energa especfica, mientras ms pequeo sea ms grande ser el correspondiente , tal como puede verse en la figura 3.1. En realidad, como si hay perdidas y el tirante sera menor que el que se en la figura 3.1.

En la figura 5.2 se indica la curva de posibles tirantes en la zona subcritica, correspondientes a los en la zona supercritica. A los tirantes y se les llama tirantes conjugados, siendo el conjugado menor y el mayor.

En la figura 5.2 se seala tambin la perdida en el salto .

FIGURA 5.2

Observando la figura 5.1 estudiaremos la clasificacin del salto hidrulico, el cual siempre se encuentra en alguno de los tres siguientes casos:

Caso 1. Si ; salto ahogado

La energa en la seccin 2 es menor que en la seccin 2; luego, el empuje es mayor hacia la izquierda y se ahoga la zona del salto. Este salto es el ms estable (figura 5.1.a).

Caso 2. Si ; salto claro

Ambas secciones tienen la misma energa y existe un equilibrio total. Este salto es el ms eficiente* (figura 5.1.b)

Caso 3. Si ; salto corrido

La energa de la seccin 2 es mayor que la de la 2. Sucede lo opuesto al primer caso, el salto se corre y sigue un perfil ondulado perdiendo energa hasta alcanzar el nivel correspondiente al tirante . Este tipo de salto es poco eficiente* y muy inestable, por lo que debe evitarse siempre (figura 5.1.c)

5.3 Ecuacin general del salto hidrulico

En la figura 5.3 se representa un salto hidrulico claro del tipo indicado en la figura 5.1.b. Como ya se explic, en este caso hay un equilibrio de energas entre las secciones 1 y 2. Si se da por hecho que el fenmeno ya se present, puede analizarse el sistema de fuerzas que hacen posible su existencia.

Figura 5.3

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*Debido a que en el salto hidrulico se busca provocar una gran disipacin de energa, se dice que un salto es tanto ms eficiente cuanto mayor es la perdida de energa que experimenta. Este concepto es el opuesto al clsico de eficiencia en ingeniera. Algunos investigadores aseguran que el salto ahogado es ms eficiente que el claro. El autor no ha comprobado experimentalmente esta aseveracin, por lo que se concreta a sealar la opinin generalmente aceptada.

En efecto, la ley del impulso permite calcular la fuerza generada debido al cambio de velocidad media entre las secciones 1 y 2, y esta fuerza debe ser igual y de direccin opuesta al empuje hidrosttico sobre ambas secciones, de manera que pueda garantizarse el equilibrio.

Como se sabe, el empuje hidrosttico en una superficie plana sumergida esta dado por la expresin:

en qu A es el rea y la distancia al centro de gravedad de dicha area, medida verticalmente desde la superficie del agua; ludgo, el empuje total de la masa de agua en contacto con las secciones 1 y 2, si se toma como positiva la direccin del flujo, est dado por la expresin:

y debe ser igual a la fuerza que hizo posible este cambio de tirantes, que segn la ley del impulso es:

Es decir, debe cumplirse la expresin general:

Dnde:

y : son las areas hidrulicas en las secciones 1 y 2, respectivamente.

y : son las distancias verticales a los centros de gravedad de las reas respectivas, medidas desde la superficie del agua.

y : son las velocidades medias en las ecuaciones 1 y 2, respectivamente.

Si utilizamos el principio de continuidad y dividimos entre , la expresin anterior puede ordenarse en la forma:

que es la ecuacin general del salto hidrulico.

Esta ecuacin se puede resolver por tanteos cuando se conoce la geometra de las secciones 1 y 2 cualesquiera que estas sean. Basta partir de las caractersticas hidrulicas conocidas en una de las secciones y apoyndose en ella, determinar las de la otra.

Es estas condiciones, el miembro de la ecuacin 5.3.b que corresponde a los datos de la seccin conocida es un valor constante, quedando realmente como incgnita el tirante de la otra. Es decir, la ecuacin es reversible, ya que indistintamente se puede usar para determinar la seccin subcrtica a partir de la supercrtica, o a la inversa, en un salto hidrulico claro.

Es interesante observar que esta expresin, desarrollada tericamente, incluye la perdida en el salto. Perdida, que por lo dems puede calcularse con una simple aplicacin de la ecuacin de la energa entre las dos secciones antes y despus del salto, una vez que dichas secciones fueron determinadas.

5.3.1 Longitud del salto hidrulico. Tanque amortiguador.

La zona donde las turbulencias son notables y susceptibles de producir daos al canal mientras se estabiliza el flujo abarca una distancia conocida como longitud del salto y debe protegerse con una estructura adecuada llamada tanque amortiguador.

Figura 5