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4.2 Salto Hidráulico
Dr. Julio Kuroiwa Zevallos
Docente Asociado. Instructor Asociado.
Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Civil Centro de Educación Continua
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Salto Hidráulico
Cuando en un canal se produce un cambio de régimen de supercrítico (Fr > 1) a subcrítico (Fr <1), se produce un salto hidráulico cuyas características dependen básicamente del número de Froude (Fr1 = número de Froude aguas arriba). Este es un mecanismo efectivo para disipar la energía del flujo y disminuir el potencial de erosión aguas abajo.
Salto hidráulico en canal horizontal. Fuente: Streeter y Wylie. Mecánica de Fluidos. Centro de Educación Continua. Facultad de Ingeniería Civil. UNI. Curso: Hidráulica de Canales Abiertos. Dr. Julio Kuroiwa Z.
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Ecuación de Continuidad (Ec. 1) En la Figura 1 se tiene un canal rectangular cuyo
ancho es b. Se aplican los siguientes principios:
Continuidad
2211 VbyVby
Por lo tanto:
2211 VyVy
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Conservación de Momentum. Ec2
bVyVbVyVbyby
111222
2
2
2
1
22
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Conservación de la Energía. Ec3
Eyg
Vy
g
V 2
2
21
2
1
22
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De la Ec. 1 y Ec. 2, se obtiene:
g
yVyyy 1
2
1
2
112
2
22
Y1 e Y2 se denominan tirantes conjugados. Y1 es el tirante aguas arriba del salto. V1 es la velocidad aguas arriba del salto.
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Pérdida de Energía
21
3
12
4 yy
yyE
Reemplazando en Ecuación 3, se obtiene:
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Experimentación
Efecto del número de Froude en la forma del salto.
Fuente: US Bureau of Reclamation
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Efecto del número de Froude en la Longitud del Salto
L2 es función del Número de Froude antes del salto, Fr1.
En general:
L = 6 y2
Fuente: US Bureau of Reclamation, 1984 9
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Salto hidráulico al final de canal de fuerte pendiente
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Velocidad y tirante al pie de una presa / rápida.
¿Cuál es el tirante y la velocidad en y1?
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Velocidad teórica
VT es la velocidad teórica al pie de la presa, en función de Z y H.
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HZgVT
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Velocidad Real
Ta VKV
K es función de Z y de H (ver figura siguiente) K es un coeficiente menor que 1.
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Factor K
Fuente: US Bureau of Reclamation, 1984 14
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Procedimiento de cálculo de V1 e y1
Se calcula V1 = Va = K VT.
Luego se calcula y1 = Q/(b V1).
El número de Froude es:
Fr = V1/ (g y1)0.5
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Pozas de Disipación
Son estructuras diseñadas para inducir la disipación de energía mediante el salto hidráulico.
Para su diseño se trata de reducir la longitud de la poza.
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Poza Tipo II
La poza tipo II consiste de una superficie horizontal en la que se colocan “dados” triangulares agua arriba sobre el pie de la rápida y un murete dentado para favorecer la disipación de energía.
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Figura – Poza Tipo II
Fuente: US Bureau of Reclamation, 1984
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Cálculo de dimensiones – Poza Tipo II
Se calculan y1 (D1 en la figura) e y2 (D2 en la Figura), y en base a dichos valores se calculan las dimensiones de la poza.
Ancho de los dados ubicados al final de la rápida, w1 = y1 ( o D1). Espaciamiento de los dados, s1 = y1 (o D1).
Ancho de los dientes del murete: w2 = 0.15 y2 ( ó 0.15 D2). Espaciamiento de los dientes del murete, s2 = 0.15 y2 ( ó 0.15 D2). Altura del murete = 0.2 y2 (o D2, en la Figura 6)
La longitud, LII, se halla con la ayuda de la Figura 7.
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Cálculo de longitudes de pozas tipo II y tipo III
Fuente: US Bureau of Reclamation, 1984
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Poza Tipo III
La poza tipo III tiene además de los dados al pie de la rápida, un murete no dentado al final de la poza y una fila de dados en una sección intermedia ubicados a 0.8 y2 del pie de la rápida, como se ve en la Figura 8.
La longitud de la poza, L (o LII en la figura), es menor a la longitud de la poza tipo II y se le considera por tanto más económica y deseable para el diseño de obras hidráulicas.
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Poza Tipo III Fuente: US Bureau of Reclamation, 1984
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Poza Tipo III (Continuación)
El ancho de los dados ubicados al pie de la rápida, su espaciamiento y altura son iguales a y1.
La altura de los dados centrales es igual a h3, que se calcula usando la Figura 9 y es función de Fr1. Tanto el ancho como el espaciamiento son iguales a 0.75 h3. El espesor de la corona es igual a 0.2 h3.
La altura del murete al final de la poza es igual a h4 y es función de Fr1(se calcula usando la Figura 9).
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Diseño de muretes en poza Tipo III
Fuente: US Bureau of Reclamation, 1984 24
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Perfil aproximado del salto
Fuente: US Bureau of Reclamation, 1984 25