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HIDRAULICA DE
TUBERIAS Y CANALES
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Arturo Rocha Felices
HIDRAULICA DE
TUBERIAS Y CANALES
xi
CAPITULO I INTRODUCCION1.1 Objetivo del libro
1.2 Esquema del contenido general
1.3 Diferencias entre canales y tuberas
1.4 Tipos de flujo
1.5 Teorema de Bernoulli. Ecuacin de la energa
1.6 Propiedades geomtricas de la seccin transversal
1.7 Efecto de la viscosidad
1.8 Efecto de la gravedad
1.9 Concepto de distribucin de velocidades
1.10 Coeficiente de Coriolis
1.11 Coeficiente de Boussinesq
1.12 Discusin de los valores de y 1.13 Relacin entre los coeficientes y 1.14 Otros estudios sobre los coeficientes y 1.15 Comparacin del escurrimiento en una tubera y un canal
Problemas propuestos
1
1
3
4
7
9
11
15
15
21
23
24
25
27
32
38
CONTENIDO
Presentacin v
Prlogo vii
Palabras Preliminares del Autor ix
Indice de Figuras xvi
Indice de Tablas xxi
Lista de Smbolos Principales xxiii
xii
43
46
52
55
62
69
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76
79
82
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95
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101
103
104
109
CAPITULO II MOVIMIENTO UNIFORME2.1 El movimiento uniforme en canales y tuberas
2.2 Relacin entre el corte y la inclinacin
2.3 Ecuaciones de distribucin de velocidades y de la velocidad
media para un canal muy ancho con movimiento laminar
2.4 Ecuaciones de distribucin de velocidades y de la velocidad
media para una tubera con movimiento laminar
2.5 Ecuacin general de distribucin de velocidades para el
movimiento turbulento en un contorno hidrulicamente liso
2.6 Obtencin de las ecuaciones de la velocidad media en
conductos lisos
2.7 Ecuacin general de distribucin de velocidades para el
movimiento turbulento en un contorno hidrulicamente rugoso
2.8 Obtencin de las ecuaciones de la velocidad media en
conductos rugosos
2.9 Obtencin de la ecuacin de Chezy
2.10 Concepto de rugosidad. Conductos hidrulicamente lisos e
hidrulicamente rugosos
2.11 Transformacin de las ecuaciones de Karman - Prandtl
Problemas propuestos
CAPITULO III LA RESISTENCIA DE SUPERFICIE EN EL MOVIMIENTOUNIFORME
3.1 Ecuacin de Darcy
3.2 Significado del coeficiente f de Darcy ( en tuberas circulares)3.3 Tuberas hidrulicamente lisas
3.4 Tuberas hidrulicamente rugosas. Transicin. Grfico de
Nikuradse
3.5 Introduccin del coeficiente f de Darcy en las ecuaciones dedistribucin de velocidades
3.6 Transicin entre contornos lisos y rugosos. Frmula de
Colebrook - White
3.7 Dimensionamiento de conductos. Conceptos fundamentales.
Errores
3.8 Tuberas de seccin no circular
xiii
3.9 Ley exponencial de distribucin de velocidades
3.10 Concepto de capa lmite
3.11 Espesor de la capa lmite
3.12 Desarrollo de la capa lmite
3.13 La separacin. Expansin de un conducto
Problemas propuestos
CAPITULO IV DISEO DE TUBERIAS4.1 Concepto de prdida de carga. Lnea de energa y lnea
piezomtrica
4.2 Abaco de Moody. Tuberas comerciales. Clculo
4.3 Prdidas de carga locales (flujo turbulento)
4.4 Sobre la consideracin de las prdidas de carga locales
4.5 Prdidas de carga locales (flujo laminar)
4.6 Sistemas hidrulicos equivalentes
4.7 Tuberas en serie
4.8 Tubera sobre la lnea de gradiente. Sifn. Cavitacin
4.9 Tubera con boquilla convergente final
4.10 Mquinas hidrulicas. Suministro por bombeo
Problemas propuestos
CAPITULO V DISEO DE CONDUCCIONES Y REDES5.1 Tuberas en paralelo
5.2 El problema de los tres reservorios
5.3 Bombeo de un reservorio a otros dos
5.4 Tuberas con dos o ms ramales de descarga independiente
5.5 Conducto que da servicio (filtrante)
5.6 Cambio de la rugosidad con el tiempo
5.7 Frmula de Hazen y Williams
5.8 Diseo de una conduccin
5.9 Dimetro ms econmico
5.10 Redes de tuberas. Mtodo de Hardy Cross
Problemas propuestos
Problemas complementarios
111
121
123
125
126
130
135
138
150
163
166
168
170
174
177
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186
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199
205
210
211
215
218
223
228
229
237
249
xiv
CAPITULO VI CALCULO DE CANALES6.1 Condiciones normales
6.2 Frmulas antiguas
6.3 Frmula de Manning
6.4 Discusin de los valores del coeficiente de rugosidad n aemplearse en la frmula de Manning
6.5 Determinacin de la seccin transversal
6.6 Seccin de mxima eficiencia hidrulica (M. E. H.)
6.7 Concepto de borde libre
6.8 Clculo de canales de seccin compuesta
6.9 Escurrimiento en tubo parcialmente lleno
Problemas propuestos
CAPITULO VII ENERGIA ESPECIFICA Y MOMENTA7.1 Energa especfica
7.2 Energa especfica a gasto constante
7.3 Seccin rectangular
7.4 Seccin parablica
7.5 Seccin triangular
7.6 Seccin trapecial
7.7 Seccin circular y otras secciones
7.8 Flujo crtico normal. Pendiente crtica
7.9 Pendiente crtica mnima (pendiente lmite, LS )7.10 Transiciones
7.11 Interpretacin de la cada libre desde el punto de vista de la
energa especfica
7.12 Fuerza Especfica (Momenta)
7.13 Salto hidrulico
7.14 Descarga por una compuerta de fondo
Problemas propuestos
CAPITULO VIII MOVIMIENTO GRADUALMENTE VARIADO8.1 Introduccin
8.2 Definiciones fundamentales
257
260
265
271
272
281
288
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323
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335
347
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353
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369
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378
382
387
389
395
399
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8.3 Ecuacin general del movimiento gradualmente variado
8.4 Discusin de la ecuacin del eje hidrulico
8.5 Anlisis de los seis casos del movimiento gradualmente variado
8.6 Cambios de pendiente (perfiles de continuidad)
8.7 Curva de remanso
Problemas propuestos
CAPITULO IX VERTEDEROS9.1 Objeto de los vertederos. Tipos
9.2 Vertederos rectangulares. Frmula terica de descarga
9.3 Frmula de Francis
9.4 Otras frmulas para vertederos rectangulares
9.5 Vertederos triangulares
9.6 Vertederos trapeciales. Vertedero tipo Cipolletti
9.7 Condiciones para la instalacin y operacin de vertederos
9.8 Vertederos en pared gruesa (o de cresta ancha)
9.9 Vertederos laterales
9.10 Errores en el clculo del gasto como consecuencia de un error
en la medicin de la carga
9.11 Vaciamiento de un depsito por un vertedero
9.12 Vertedero sumergido
Problemas propuestos
Tablas Generales
Referencias Bibliogrficas
401
407
409
418
423
451
455
466
469
471
478
483
485
487
490
492
493
497
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507
513
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INDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 Diferencia entre canales y tuberas 3
Figura 1.2 Esquema de un piezmetro 4
Figura 1.3 Tipos de flujo 5
Figura 1.4 Movimientos variados 6
Figura 1.5 Teorema de Bernoulli 8
Figura 1.6 Parmetros de la seccin transversal de un canal 10
Figura 1.7 Radio hidrulico en un canal muy ancho 10
Figura 1.8a Viscosidad cinemtica en funcin de la temperatura para
varios fluidos 13
Figura 1.8b Viscosidad dinmica en funcin de la temperatura para
diferentes gases y lquidos 14
Figura 1.8c Viscosidad dinmica en funcin de la temperatura para
varios tipos de aceite 14
Figura 1.9 Distribucin de velocidades en un canal 16
Figura 1.10 Distribucin de velocidades en una tubera 17
Figura 1.11 Distribucin de velocidades en una tubera con flujo turbulento 17
Figura 1.12 Distribucin de velocidades en una tubera con flujo laminar 18
Figura 1.13 Distribucin de velocidades en una tubera (fluido ideal) 18
Figura 1.14 Isotacas en un canal de seccin trapecial 19
Figura 1.15 Distribucin de velocidades en diferentes secciones transversales 19
Figura 1.16 Distribucin de velocidades en un codo 20
Figura 1.17 Distribucin de velocidades en contornos lisos y rugosos 20
Figura 1.18 Esquema de definicin para las ecuaciones de Strauss 28
Figura 1.19 Ecuacin de la energa 33
Figura 1.20 Distribucin vertical de velocidades (mediciones) 35
xvii
Figura 2.1 Movimiento uniforme en un canal 44
Figura 2.2 Movimiento uniforme en una tubera 45
Figura 2.3 Esfuerzo de corte en un canal muy ancho 46
Figura 2.4 Esfuerzo de corte en un canal de cualquier seccin transversal 48
Figura 2.5 Esfuerzo de corte en una tubera 49
Figura 2.6 Distribucin del esfuerzo de corte (a) en un canal y
(b) en una tubera 51
Figura 2.7 Distribucin de velocidades en un canal con movimiento laminar 53
Figura 2.8 Subcapa laminar 65
Figura 2.9 Relacin entre parmetros adimensionales para el clculo de la
distribucin de velocidades 67
Figura 2.10 Flujo a travs de un anillo 71
Figura 2.11 Distribucin de velocidades en un contorno rugoso 73
Figura 2.12 Coeficiente C de Chezy 78Figura 2.13 Aspereza del contorno 80
Figura 2.14 Rugosidad artificial de Nikuradse 80
Figura 3.1 Equilibrio de fuerzas en una tubera 91
Figura 3.2 Coeficiente f de Darcy en tuberas lisas 98
Figura 3.3 Coeficiente