RESALTO HIDRÁULICO

7/16/2019 RESALTO HIDRÁULICO

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RESALTO HIDRÁULICO

MARCO TEORICO

En 1818, el italiano Bidone realizo las primeras investigaciones experimentales del

resalto hidráulico. Esto llevó a Bélanger en 1928 a diferenciar entre las pendientessuaves (subcríticas) y las empinadas (supercríticas), debido a que observo que en

canales empinados a menudo se producían resaltos hidráulicos generados por barreras

en el flujo uniforme original.

En un principio, la teoría del resalto desarrollada corresponde a canales

horizontales o ligeramente inclinados en los que el peso del agua dentro delresalto tiene muy poco efecto sobre su comportamiento y, por consiguiente,no se considera en el análisis. Sin embargo los resultados obtenidos de este

modo pueden aplicarse a la mayor parte de los canales encontrados en

problemas de ingeniería. Para canales con pendiente alta el efecto del pesodel agua dentro del resalto puede ser tan significativo que debe incluirse en elanálisis.

GENERALIDADES

Introducción

Los saltos hidráulicos ocurren cuando hay un conflicto entre los controles que

se encuentran aguas arriba y aguas abajo, los cuales influyen en la misma

extensión del canal. Este puede producirse en cualquier canal, pero en la

practica los resaltos se obligan a formarse en canales de fondo horizontal, ya

que el estudio de un resalto en un canal con pendiente es un problema

complejo y difícil de analizar teóricamente.

El salto hidráulico puede tener lugar ya sea, sobre la superficie libre de unflujo homogéneo o en una interfase de densidad de un flujo estratificado y encualquiera de estos casos el salto hidráulico va acompañado por una

turbulencia importante y una disipación de energía.

Cuando en un canal con flujo supercrítico se coloca un obstáculo que obligue

a disminuir la velocidad del agua hasta un valor inferior a la velocidad críticase genera una onda estacionaria de altura infinita a la que se denomina resaltohidráulico, la velocidad del agua se reduce de un valor V1 > C a V2 < C, la

profundidad del flujo aumenta de un valor bajo Y1 denominado inicial a unvalor Y2 alto denominado secuente.

Resalto en canales rectangulares



Para un flujo supercrítico en un canal rectangular horizontal, la energía del

flujo se disipa a través de la resistencia friccional a lo largo del canal, dandocomo resultado un descenso en la velocidad y un incremento en la

profundidad en la dirección del flujo. Un resalto hidráulico se formara en elcanal si el numero de Froude (F

1) del flujo, la profundidad del flujo (Y

1)y la

profundidad (Y2) aguas abajo satisfacen la ecuación:

Y2/Y1 = 1/2 [(1 + 8 F12)1/2 - 1]

Resalto en canales inclinados

En el análisis de resaltos hidráulicos en canales pendientes o con pendientes

apreciables, es esencial considerar el peso del agua dentro del resalto, por estarazón no pueden emplearse las ecuaciones de momentum, ya que en canales

horizontales el efecto de este peso es insignificante. Sin embargo puedeemplearse una expresión análoga a la ecuación utilizando el principio demomentum que contendrá una función empírica que debe determinarse

experimentalmente.

Clasificación

Los resaltos hidráulicos en fondos horizontales se clasifican en varias clases y

en general esta clasificación se da, de acuerdo con el numero de Froude (F1)del flujo entrante. Para F1=1 el flujo es critico y por consiguiente no se firma

resalto, para 1.0<F1<1.7 la superficie del agua muestra ondulaciones y se presenta el resalto ondulante, para 1.7<F1<2.5 se desarrolla una serie de

remolinos sobre la superficie del agua pero aguas abajo permanece uniforme

y la velocidad de la sección es razonablemente uniforme y la perdida deenergía es baja presentándose entonces el resalto débil, para 2.5<F1<4.5 existeun chorro oscilante que entra desde el fondo del resalto hasta la superficie y se

devuelve sin ninguna periodicidad y cada oscilación produce una onda grandecon periodo irregular produciéndose entonces el resalto oscilante, para

4.5<F1<9.0 la extremidad de aguas abajo del remolino superficial y el puntosobre el cual el chorro de alta velocidad tiende a dejar ocurren prácticamente

en la misma sección vertical la acción y posición de este resalto son menossensibles a la variación en la profundidad de aguas abajo, el resalto es bien

balanceado y su comportamiento es el mejor presentándose de esta manera elresalto estable, para F1>9.0 el chorro de alta velocidad choca con paquetes de

agua intermitentes que corren hacia abajo a lo largo de la cara frontal delresalto generando ondas hacia aguas abajo y puede prevalecer una superficierugosa, la acción del resalto es brusca pero efectiva produciéndose entonces el

resalto fuerte.

Control



El resalto hidráulico puede controlarse o afectarse por medio de obstáculos de

diferentes diseños como vertederos de cresta delgada, de cresta ancha ysubidas y descensos abruptos en el fondo del canal. La función del obstáculo

es asegurar la formación del resalto y controlar su posición en todas lascondiciones probables de operación.

Varios experimentos han demostrado que las fuerzas que actúan sobre unobstáculo en un resalto disminuyen rápidamente hasta un mínimo a medida

que el extremo de aguas abajo del resalto se mueve hacia aguas arriba hasta

una posición encima del obstáculo. De ahí en adelante la fuerza se incrementacon lentitud hasta un valor constante a medida que el resalto se aleja mas

hacia aguas arriba. En teoría, el control del resalto hidráulico medianteobstáculos puede analizarse utilizando la teoría del momentum. Debido a la

falta de conocimiento preciso sobre la distribución de velocidades, el análisis

teórico no puede predecir el resultado cuantitativo con exactitud.

El control de resaltos mediante obstáculos es útil si la profundidad de aguasabajo es menor que la profundidad secuente para un resalto normal, pero si la

primera es mayor que la segunda debe utilizarse una caída en el piso del canal para asegurar un resalto. Por lo general esta condición ocurre a la salida de

una expansión con flujo supercrítico.

APLICACIONES

En el campo del flujo en canales abiertos el salto hidráulico suele tener muchas aplicaciones entre las que están:

La disipación de energía en flujos sobre diques, vertederos, presas y otras

estructuras hidráulicas y prevenir de esta manera la socavación aguas debajo

de las estructuras.

El mantenimiento de altos niveles de aguas en canales que se utilizan para

propósitos de distribución de agua.

Incrementos del gasto descargado por una compuerta deslizante al rechazar el retroceso del agua contra la compuerta, esto aumenta la carga efectiva y conella la descarga.

La reducción de la elevada presión bajo las estructuras mediante la

elevación del tirante del agua sobre la guarnición de defensa de la estructura.

La mezcla de sustancias químicas usadas para la purificación o tratamiento

de agua.

La aireación de flujos y el desclorinado en el tratamiento de agua.



La remoción de bolsas de aire con flujo de canales abiertos en canales

circulares.

La identificación de condiciones especiales de flujo con el fin de medir la

razón efectividad-costo del flujo.

Recuperar altura o aumentar el nivel del agua en el lado de aguas debajo de

una canaleta de medición y mantener un nivel alto del agua en el canal deirrigación o de cualquier estructura para distribución de aguas.

CARACTERÍSTICAS

Algunas de las características del resalto hidráulico en canales rectangulares

horizontales son:

Perdida de energía: en el resalto la perdida de la energía es igual a la

diferencia de las energías especificas antes y después del resalto. Puededemostrarse que la perdida es

E = E1 – E2 = (Y2 – Y1)3 /(4 Y1Y2)

E/ E1: perdida relativa.

Eficiencia: la relación entre la energía especifica antes y después del resalto

se define como la eficiencia del resalto. Puede demostrarse que la eficiencia es

E1/E2 = ((8 F12 + 1)3/2

– 4F12 + 1)/(8 F1

2 (2 + F12))

F: numero de Froude.

Altura del resalto: la diferencia entre las profundidades antes y después del

resalto es la altura del resalto (hj =Y2 – Y1)Al expresar cada termino como larelación con respecto a la energía especifica inicial

hj/E1 = Y2/E1 –

Y1/E1

Hj/ E1: altura relativa.

Y1/ E1: profundidad inicial relativa.

Y2/ E1: profundidad secuente relativa.

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RESALTO HIDRÁULICO

DEFINICIONES

- Es el fenómeno en el cual una corriente líquida de gran velocidad en flujo

supercrítico, bajo ciertas condiciones, pasa a un flujo subcrítico con una

brusca elevación de la superficie libre.

- Es el cambio que se dá súbitamente bajo condiciones apropiadas, de

una corriente que fluye rápidamente en un canal abierto a una corriente que

fluye despacio con un área de sección transversal mayor y una elevación

súbita en el nivel de la superficie del líquido.

RESEÑA HISTORICA

Hasta 1818, el resalto hidráulico estuvo considerado como un fenómeno

complejo y misterioso, pero en este mismo año, Bidone, realizó las primeras

investigaciones sobre el resalto hidráulico, 10 años más tarde Belanger,

analizó el fenómeno según el principio de conservación de energía y después

corrigió su análisis usando la ecuación impulso-momentum. Posteriormente

numerosos laboratorios e investigadores han realizado estudios sobre su

longitud, disipación de energía, eficiencia, saltos hidráulicos dentro de uncanal con expansión gradual, inyección de un chorro por la parte inferior del

canal, resaltos en canales con pendiente y otros fenómenos que generan

características específicas. En 1934, Yarnell inició un amplio estudio del salto

hidráulico en canales con pendiente, que no pudo terminar porque falleció

en 1937. Kindsvater (1944), fue el primer investigador que desarrolló una

solución racional del problema, utilizando los datos no publicados de Yarnell,

Bradley y Peterka. En la actualidad, la solución analítica del problema

comprende la aplicación de las leyes de la estática de los fluídos, el impulso-

momentum y la energía específica; los resultados obtenidos de estos análisis

teóricos presentan un a buena concordancia con los resultados obtenidos

mediante observaciones experimentales.

GENERALIDADES

Bajo ciertas condiciones, una corriente líquida de gran velocidad en flujo

supercrítico, en un canal abierto pasa a flujo subcrítico con una brusca



elevación de la superficie líquida. En efecto, la corriente de gran velocidad se

expansiona y convierte su energía cinética en térmica y potencial.

Las perdidas de energía son mayores a medida que la altura del salto es

mayor.

La distancia que hay desde la cara frontal del salto hasta un punto inmediato

sobre la superficie del flujo aguas abajo de la ola asociada con el salto, se

denomina longitud del salto hidráulico.

En la zona donde se forma el resalto su produce una macro turbulencia y un

arrastre de aire hacia el interior de la masa líquida, estas propiedades son

aprovechadas para mezclar productos químicos usados en la purificación delagua y para airearla cuando va a usarse en abastecimiento urbano.

La distribución de velocidades aguas abajo del resalto no es uniforme,

existiendo una mayor velocidad cerca del fondo del canal; en consecuencia,

los coeficientes de corrección de velocidad y momentum están lejos de la

unidad, obteniéndose resultados ligeramente diferentes a los obtenidos

mediante análisis teóricos.

En cada punto de la superficie libre del remolino que cubre el salto, el nivel

oscila rápidamente; pero el termino medio de ese nivel puede ser

considerado constante; ese nivel medio es el que determina la altura de

presión sobre el fondo del canal, especialmente si la pendiente es pequeña.

Los resaltos hidráulicos han sido clasificados por el personal de Bureau of

Reclamation, de los estados unidos, desde el punto de vista de la energía

disipada en función del número de Froude (F); dicha clasificación es la

siguiente:

- Para F de 1 a 1.7; solo hay una pequeña diferencia entre las profundidades

conjugadas (las que existen antes y despues del resalto). Se denominan

ondas estacionarias.

- Para F de 1.7 a 2.5; la superficie del agua es tranquila, la velocidad es

uniforme y la pérdida de energía es baja. Se denomina pre-resalto.



- Para F de 2.5 a 4.5; ocurre un chorro oscilante entre el fondo y la superficie

libre. Cada oscilación produce una onda de periodo irregular la cual puede

viajar grandes trayectorias antes de decaer, pudiendo producir grandes

daños en el canal, especialmente si no es revestido. Se denomina resalto

oscilante.

- Para F de 4.5 a 9; se tiene un intervalo de resaltos adecuados. El resalto está

equilibrado y su acción es la deseada, siendo la disipación de energía de 45%

al 70%. Se denomina resalto estable.

- Para F de 9 en adelante; se generan olas intermitentes, que se desplazan

hacia aguas abajo originando una superficie bastante alterada. La disipación

de energía puede llegar al 80%. Se denomina resalto fuerte.

TIPOS DE RESALTOS HIDRÁULICOS

1. Resalto hidráulico en canales rectangulares sin pendiente

Para este tipo de resaltos la relaciones entre las variables se obtienen fácilmente

usando las ecuaciones de cantidad de movimiento, energía y continuidad. En estas

ecuaciones se supone la velocidad constante en toda la sección. Debido a la

proximidad de las secciones donde las ecuaciones se aplican, se desprecian las

pérdidas producidas por los efectos de fricción entre el fluido y el canal.

2. Resalto hidráulico en canales rectangulares con pendiente.



Si la inclinación del canal es apreciable no son suficientes las herramientas enunciadas

para el caso anterior, ya que interviene en el fenómeno la fuerza de gravedadcorrespondiente al peso del fluido en la dirección del movimiento. Los análisis teóricos

de este tipo de resalto se realizan bajo la suposición de que en las secciones a y b rige

la ley hidrostática y que el movimiento general es prácticamente paralelo al fondo.

3. Resalto hidráulico sumergido

Los resaltos sumergidos suelen formarse aguas debajo de compuertas o esclusas en

sistemas de irrigación, este ocurre si el tirante aguas abajo (y4) es mayor que y

2(tirante

de salto libre).

4. Resalto hidráulico en interfaces de densidad.

Sea encontrado que los resaltos hidráulicos pueden también ocurrir en internase de

densidad dentro de flujos estratificados. Sin embargo este fenómeno denominado

salto hidráulico interno, no suele ocurrir en la naturaleza, excepto en la atmósfera y en

mareas de estuarios; esta carencia de observación in situ quizá ocurra por que es un



fenómeno interno que no necesariamente produce un efecto notorio en la interfase

aire-agua.

Los tipos de resaltos hidráulicos internos que pueden presentarse son:

a. cuando la capa 1, pasa de un régimen interno supercrítico a un régimen subcrítico

por medio de un salto hidráulico interno.

b. cuando la capa 2, pasa de un régimen interno supercrítico a un régimen interno

subcrítico por medio de un salto hidráulico interno.

Para el análisis de este resalto hidráulico se ignora el esfuerzo cortante interfacial

entre las dos capas, se supone que no hay mezcla entre las capas y que todas las

distribuciones de presiones son hidrostáticas.

5. Resalto hidráulico en canales no rectangulares.

A los canales no rectangulares que más se les han hecho estudios son a los

trapezoidales, triangulares y los circulares.

Para el calculo del resalto hidráulico en estos tipos de canales se han realizado

introduciendo en las ecuaciones generales los datos especificados y tanteando hasta

que se satisfagan dichas ecuaciones. También pueden emplearse aproximaciones

empíricas y otras técnicas analíticas. (Mas información sobre esto en el libro Hidráulica

de Canales Abiertos, de Richard H. French).

6. Resalto hidráulico formado en la transición de un canal.



Se ha observado que un flujo supercrítico en un ensanche gradual de un canal,

muestra que las líneas de corriente son aproximadamente radiales y que el resalto

formado tiene las mismas características que un resalto circular. Debido a esta

similitud, el resalto en un ensanche gradual de un canal, se trata analíticamente como

una sección de un resalto circular. Para el análisis de este resalto se supone que las

líneas de corriente son paralelas y otros supuestos necesarios.

USOS DE RESALTO HIDRÁULICO

El salto hidráulico va acompañado de una turbulencia importante y una disipación de

energía. En el campo de flujos en canales abiertos, el salto hidráulico suele tener

muchas aplicaciones, entre las que se incluyen:

1. La disipación de energía en flujos sobre diques, vertedores y otras estructuras

hidráulicas.

2. El mantenimiento de altos niveles de agua en canales que de utilizan para el

propósito de distribución de agua.

3. Incremento del gasto descargado por una compuerta deslizante al rechazar el

retroceso del agua contra la compuerta, esto aumenta la carga efectiva y con ella la

descarga.

4. La reducción de la elevada presión bajo las estructuras mediante la elevación del

tirante del agua sobre la guarnición de defensa de la estructura.

5. La mezcla de sustancias químicas usadas para la purificación o el tratamiento de

agua.

6. La aerificación de flujos y el desclorinado en el tratamiento de agua.

7. La remoción de bolsas de aire con flujos de canales abiertos en canales circulares.

8. La identificación de condiciones especiales de flujo, como la existencia del flujo

supercrítico o la presencia de una sección de control para la medición de la razón

efectividad-costo del flujo.

CONTROLES DEL RESALTO HIDRAULICO

Controlar los resaltos hidráulicos de modo que el flujo supercrítico, no salga de limites

pre-establecidos, es de gran importancia para la conservación de las obras hidráulicas,

debido a que puede socavar el canal aguas abajo. Con el fin de controlar los

resaltos se usan sobre elevaciones o caídas en el fondo, vertederos de cresta aguda o

ancha, dientes en pozos de amortiguación, inyección de flujo por la parte inferior del

canal, etc.



De los diferentes métodos mencionados, el de inyección de flujo por la parte inferior

parece ser el mas efectivo, debido a que puede seguir controlando el resalto aunque

no se produzcan las condiciones de diseño.

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Clasificación del flujo como laminar o turbulento

Cuando entre dos partículas en movimiento existe gradiente de velocidad, osea que una se mueve más rápido que la otra, se desarrollan fuerzas defricción que actúan tangencialmente a las mismas.

Las fuerzas de fricción tratan de introducir rotación entre las partículas enmovimiento, pero simultáneamente la viscosidad trata de impedir larotación. Dependiendo del valor relativo de estas fuerzas se pueden producir diferentes estados de flujo.

Cuando el gradiente de velocidad es bajo, la fuerza de inercia es mayor que lade fricción, las partículas se desplazan pero no rotan, o lo hacen pero con muypoca energía, el resultado final es un movimiento en el cual las partículassiguen trayectorias definidas, y todas las partículas que pasan por un punto enel campo del flujo siguen la misma trayectoria. Este tipo de flujo fueidentificado por O. Reynold s y se denomina “laminar ”, queriendo significar con ello que las partículas se desplazan en forma de capas o láminas.

Al aumentar el gradiente de velocidad se incrementa la fricción entre partículasvecinas al fluido, y estas adquieren una energía de rotación apreciable, laviscosidad pierde su efecto, y debido a la rotación las partículas cambian de

trayectoria. Al pasar de unas trayectorias a otras, las partículas chocan entre sí

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y cambian de rumbo en forma errática. Éste tipo de flujo se denomina"turbulento".

El flujo "turbulento" se caracteriza porque:

Las partículas del fluido no se mueven siguiendotrayectorias definidas. La acción de la viscosidad es despreciable. Las partículas del fluido poseen energía de rotación apreciable, y se

mueven en forma errática chocando unas con otras. Al entrar las partículas de fluido a capas de diferente velocidad, su

momento lineal aumenta o disminuye, y el de las partículas vecina lahacen en forma contraria.

Cuando las fuerzas de inercia del fluido en movimiento son muy bajas, laviscosidad es la fuerza dominante y el flujo es laminar. Cuando predominan las

fuerzas de inercia el flujo es turbulento. Osborne Reynolds estableció unarelación que permite establecer el tipo de flujo que posee un determinadoproblema.

Para números de Reynolds bajos el flujo es laminar,y para valores altos el flujo es turbulento. O.Reynolds, mediante un aparato sencillo fue elprimero en demostrar experimentalmente laexistencia de estos dos tipos de flujo.

Mediante colorantes agregados al agua enmovimiento demostró que en el flujo laminar laspartículas de agua y colorante se mueven siguiendotrayectorias definidas sin mezclarse, en cambio en elflujo turbulento las partículas de tinta se mezclanrápidamente con el agua.

Experimentalmente se ha encontrado que en tubosde sección circular cuando el número de Reynoldspasa de 2400 se inicia la turbulencia en la zonacentral del tubo, sin embargo este límite es muy

variable y depende de las condiciones dequietud del conjunto . Para números de Reynoldsmayores de 4000 el flujo es turbulento.

Al descender la velocidad se encuentra que para números deReynolds menores de 2100 el flujo es siempre laminar, y cualquier turbulenciaes que se produzca es eliminada por la acción de la viscosidad.

El paso de flujo laminar a turbulento es un fenómeno gradual, inicialmente seproduce turbulencia en la zona central del tubo donde la velocidad es mayor,pero queda una corona de flujo laminar entre las paredes del tubo y el núcleo

central turbulento.



Al aumentar la velocidad media, el espesor de la corona laminar disminuyegradualmente hasta desaparecer totalmente. Esta última condición seconsigue a altas velocidades cuando se obtiene turbulencia total en el flujo.

Para flujo entre placas paralelas, si se toma como dimensión característica el

espaciamiento de éstas, el número de Reynolds máximo que garantiza flujolaminar es 1000. Para canales rectangulares anchos con dimensióncaracterística la profundidad, este límite es de 500; y para esferas con eldiámetro como dimensión característica el límite es la unidad.

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