Manual de prácticas Hidráulica de. 6o semestre

Transcripción

1 Laboratorio de Hidráulica Ing. David Hernández Huéramo Manual de prácticas Hidráulica de c a n a l e s I I 6o semestre Autores: Guillermo Benjamín Pérez Morales Jesús Alberto Rodríguez Castro Jesús Martín Caballero Ulaje Jorge Leonel Angel Hurtado Juan Pablo Molina Aguilar Colaboradores: Alejandro Raúl Gutiérrez Obregón Elizabeth Pauline Carreño Alvarado Héctor Rivas Hernández Rukmini Espinosa Díaz

2 3. FLUJO ESPACIALMENTE VARIADO Objetivos Observar el comportamiento del flujo espacialmente variado, aprender situaciones donde se presenta y cual es su importancia. Aplicación Determinar la longitud de un vertedero lateral para que derive un caudal determinado es un problema que se encuentra frecuentemente en el diseño de presas, alcantarillados y de canales en general, por lo que generalmente conocido el gasto que se desea desalojar, se puede calcular la longitud del vertedor lateral, definiendo de antemano sus características, como son: tipo de vertedor (pared delgada o pared gruesa; tipo de perfil, altura del vertedor a la llegada del agua en exceso; coeficiente de descarga, éste último se deberá ajustar conforme a las variaciones de diseño, etc.) El canal para controlar caudales, es otra sección dentro del canal de conducción para agua residual, que se diseña para el control del caudal que ingresa a la planta y tiene como objetivo desalojar el volumen que no puede ser tratado porque provocaría sobrecargas hidráulicas en los sistemas de tratamiento. Dicho gasto generalmente se produce durante la temporada de lluvias. El caudal que se debe desalojar es la diferencia que existe entre el máximo extraordinario y el de diseño del canal, para eliminarlo y evitar su ingreso a los sistemas subsecuentes de la planta se construyen vertedores laterales en uno o en ambos lados del canal de control. Definiciones, fórmulas y unidades a utilizar Flujo espacialmente variado.- Es aquel donde el caudal varía a lo largo de la conducción pero permanece constante en el tiempo, es decir es el resultado del aumento o reducción del gasto en la dirección de flujo, debido a la entrada o salida de un gasto de aportaciones o derivaciones, respectivamente. Q L

3 El agua agregada o disminuida causara disturbio en el contenido de la energía o del momentum del flujo. Como un resultado, el comportamiento hidráulico de un flujo variado espacialmente es más complicado que el de un flujo a descarga constante. Más aun, el comportamiento hidráulico del flujo variado espacialmente con descarga creciente es diferente en ciertos aspectos del flujo similar con descarga decreciente Así, los dos tipos de flujo espacialmente son: Flujo con descarga creciente.- En este tipo de flujo espacialmente variado, una porción apreciable de la pérdida de energía es debida a la mezcla turbulenta del agua agregada y del agua fluyendo en el canal. Desde un punto de vista práctico las altas pérdidas de energía parecen hacer a los canales diseñados para tales flujos variados espacialmente, hidráulicamente ineficientes, pero las circunstancias físicas a veces hacen deseable el uso de tales estructuras Flujo con descarga decreciente.- Fundamentalmente, este tipo de flujo se puede tratar como una derivación del flujo, en donde el agua desviada no afecta la altura de energía. La teoría del flujo espacialmente variado con descarga decreciente fue empleada en el diseño de vertedores laterales o diques con vertedero lateral. Este tipo de estructura es usualmente un largo corte instalado a lo largo del costado de un canal con el propósito de derivar o verter el exceso del flujo (figuras 3.1 y 3.3) o descarga a través de una rejilla en el piso del conducto (Figura 3.2) 2

4 FIGURA 3.1 Q 3 Q 1 Q 2 PLANTA - Vertedor lateral en canal rectangular L w 1 w w 2 E 1 y 1 y p y 2 E 2 PERFIL Energía específica constante w 1 w w 2 y 1 y p y 2 E 2 PERFIL Energía específica variable En la figura 3.1 se tiene: Q 1 = Gasto de entrada (m 3 /s) Q 2 = Gasto de salida (m 3 /s) Q 3 = Q V = Gasto del vertedero (m 3 /s) E = Energía específica (y + w) (m) y = Profundidad del agua (m) W = carga de velocidad (V 2 /2g) (m) P = altura de pantalla (m) 3

5 FIGURA 3.2 E Q 1 y 1 Línea de energía x Q y y 2 Q 2 L φ CANAL CON UNA REJA DE FONDO Desague Parcial Línea de energía E Q L g φ CANAL CON UNA REJA DE FONDO Desague completo 4

6 FIGURA 3.3 S a) y1 yc b) y1 >yc c) y1 yc d) y1 <yc e) y1 <yc f) Varios perfiles de flujo a lo largo de un vertedor lateral 5

7 Las ecuaciones fundamentales de la Mecánica de los fluidos presentan algunas dificultades en el desarrollo analítico, debido a que se trata de un Flujo Espacialmente Variado, por lo cual debe apelarse a la experimentación para obtener fórmulas semiempíricas confiables. Algunas de estas fórmulas, sin embargo, difieren en su forma y en sus resultados por las restricciones que se imponen en los cálculos a la aplicación de las ecuaciones de Energía y de Cambio en Cantidad de Movimiento. En este aspecto existen dos criterios diferentes; uno considera que la energía específica en el canal a lo largo del vertedero es aproximadamente constante mientras que el otro descarta la hipótesis de Energía Específica constante y utiliza la ecuación de Cambio en Cantidad de Movimiento para determinar la variación de la Energía Específica. Este último criterio es teóricamente más ajustado a la realidad que el primero, pero su aplicación práctica resulta dispendiosa. En algunos casos particulares, como cuando se trabaja en canales prismáticos de poca pendiente con régimen tranquilo, los dos criterios producen resultados similares y por esta razón se prefiere utilizar el criterio de la Energía Específica constante como una aproximación razonable bajo ciertas condiciones. En la figura 3.1 se observa la diferencia en la representación esquemática de los dos criterios. Procedimiento (primera etapa) 1. En el Modelo de la Presa de Guadalupe Victoria, hacer circular un gasto constante. 2. Esperar a que el tirante de agua llegue hasta el nivel máximo de la cortina. 3. Variar el gasto; primeramente aumentándolo, esto para simular la llegada de una avenida. 4. Observar el comportamiento del flujo que se va desalojando a través del vertedor lateral. 5. Disminuir el gasto y observar el descenso del nivel de agua. Procedimiento (segunda etapa) 1. En el canal de flujo lento hacer circular un gasto constante (para esto esperar por un lapso aproximado de 3 minutos para que se estabilice el flujo). 2. Observar el desalojo del agua por el vertedor triangular que se encuentra al final del canal. 3. Una vez desalojada el agua, y ya encaminada hacia la obra de retorno, observar el efecto que causan las rejillas al pasar el flujo a través de ellas 6

8 Actividades 1. Explica cual es la importancia del flujo espacialmente variado. 2. Cual es la diferencia entre el flujo gradualmente variado y flujo espacialmente variado?. 3. Como se puede clasificar el flujo variado (menciona los tres tipos). 4. Investigar en que otras situaciones se presenta el flujo espacialmente variado. 5. Dibujar de manera simplificada que pasa en la presa cuando llega la avenida. 6. Investigar otros tipos de obras de excedencia. 7. Investigar a que se debe el desagüe parcial y total en alcantarillas. 7