Flujo en Canales Abiertos: Tipos, Características y Cálculos Clave

El flujo en canales implica el movimiento con superficie libre de un líquido.

Características del Flujo en Canales

1. El flujo tiene lugar bajo la acción del peso del fluido.
2. La sección de paso puede ser rectangular, triangular, etc.
3. Existen tramos con flujo uniforme o variado.
4. A menudo, la sección de paso de canales y ríos va variando de forma compleja.

Tipos de Flujos en Canales: Según la Variación de la Profundidad

1. Flujo Uniforme: La velocidad no cambia ni en magnitud ni en dirección, y la superficie del líquido es paralela al fondo del canal. Solo ocurre cuando la sección del canal es constante.
2. Flujo No Uniforme o Variado: La superficie del líquido no es paralela al fondo (flujo variado gradual - unidimensional, flujo variado rápido - multidimensional).
3. Flujo Permanente: La velocidad o profundidad no varía con el tiempo.
4. Flujo No Permanente: La velocidad o profundidad varía con el tiempo.

Clasificación del Flujo en Canales según el Número de Froude

El flujo en canales puede clasificarse en función del número de Froude, que expresa la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas gravitatorias:

• Fr < 1: Subcrítico: Las perturbaciones pueden propagarse aguas arriba.
• Fr = 1: Crítico
• Fr > 1: Supercrítico: Ninguna perturbación puede viajar aguas arriba.

Número de Froude = 1: Calado crítico

Calado Crítico

El calado crítico es el calado para el que se produce el cambio de régimen subcrítico a supercrítico o viceversa. Es función de la geometría y del caudal.

Si E = constante, Q es máximo para yc; si Q = constante, E es mínimo para yc. Las transiciones en movimiento permanente dependen de las condiciones impuestas al flujo aguas arriba y aguas abajo.

y1: Supercrítico. Perturbaciones se propagan aguas arriba y aguas abajo.

y > yc, Fr < 1

El flujo a través de un canal con pendiente, sección transversal y profundidad constante se denomina flujo uniforme.

Ecuación de Chezy

n es el coeficiente de rugosidad de Manning.

Cálculo de la Pendiente Crítica

Es la pendiente de un canal en el cual el flujo uniforme (con rozamiento) para un caudal dado se desarrolla con el calado crítico.

• Si la pendiente del fondo So > Sc (pendiente fuerte), Yn < Yc, supercrítico o rápido.
• Si So < Sc (pendiente suave), Yn > Yc, subcrítico o lento.
• Otro igual, cambia So < Sc, subcrítico o lento.

Flujo Gradualmente Variado

Hipótesis: Cambios suaves en el calado, sección transversal y en la pendiente de la solera, distribución de velocidad unidimensional y de presiones hidrostática. Se cumple la ecuación de continuidad de la masa y de la energía.

Curvas de Remanso

Las curvas de remanso se originan en régimen permanente variado y dan lugar cuando una modificación de las condiciones en el final del canal pueden llegar al pie de la presa. Se caracterizan con las características del canal, Fr y la pérdida de carga a lo largo del movimiento, y la pérdida de carga se halla con Chezy Manning.

Resalto Hidráulico

El resalto hidráulico es una transición abrupta que se produce cuando el flujo es supercrítico, las perturbaciones no pueden desplazarse aguas arriba. Si las condiciones existentes aguas abajo hacen que un flujo supercrítico pase a subcrítico, y como el cambio no puede transmitirse aguas arriba para que haya un proceso de cambio gradual a través del punto crítico, se produce una transición de forma brusca, pasando el flujo directamente de supercrítico a subcrítico. Se emplean para disipar la energía debajo de vertederos.

Cálculo del Resalto Hidráulico

Se estudia aplicando las ecuaciones integrales de la conservación de la cantidad de movimiento y de la conservación de la masa a un volumen de control que contenga el resalto, suponiendo un canal rectangular de ancho constante b y horizontal.

Vertederos

La Q depende del calado aguas arriba, forma geométrica, propiedades del fluido y de la aceleración de la gravedad.