El resalto o salto hidráulico es un fenómeno local, que se presenta en el flujo rápidamente variado, el cual va siempre acompañado por un aumento súbito del tirante y una pérdida de energía bastante considerable (disipada principalmente como calor), en un tramo relativamente corto. Ocurre en el paso brusco de régimen supercrítico (rápido) a régimen subcrítico (lento), es decir, en el resalto hidráulico el tirante, en un corto tramo, cambia de un valor inferior al crítico a otro superior a este. La figura siguiente muestra este fenómeno.
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| IMAGEN 38.RESALTO HIDRÁULICO. |
Generalmente, el resalto se forma cuando en una corriente rápida existe algún obstáculo o un cambio brusco de pendiente. Esto sucede al pie de estructuras hidráulicas tales como vertederos de demasías, rápidas, salidas de compuertas con descarga por el fondo, etc., lo que se muestra en la figura siguiente:
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| IMAGEN 39.LUGARES APROPIADOS PARA QUE SE GENERE UN RESALTO HIDRÁULICO. |
Antes del resalto, cuando el agua escurre todavía en régimen rápido, predomina la energía cinética de la corriente, parte de la cual se transforma en calor (pérdida de energía útil) y parte en energía potencial (incremento del tirante); siendo esta la que predomina, después de efectuado el fenómeno.
En la figura anterior, las secciones (1) y (2) marcan esquemáticamente el principio y el final del resalto. Los tirantes y1 y y2 con que escurre el agua antes y después del mismo se llaman tirantes conjugados.
Dónde:
y2 = tirante conjugado mayor
y1 = tirante conjugado menor
La diferencia: y2 – y1 es la altura del resalto y L su longitud; existen muchos criterios para encontrar este último valor.
E1 es la energía específica antes del resalto y E2 la que posee la corriente después de él. Se observa que en (2) la energía específica es menor que en (1) debido a las fuertes pérdidas de energía útil que el fenómeno ocasiona; esta pérdida se representa como: E1 – E2.
Además de su mérito como disipador natural de energía, el resalto hidráulico tiene muchos otros usos prácticos, entre los cuales se pueden mencionar los siguientes:
a) Prevención o confinamiento de la socavación aguas debajo de las estructuras hidráulicas donde es necesario disipar energía.
b) Mezclado eficiente de fluidos o de sustancias químicas usadas en la purificación de aguas, debido a la naturaleza fuertemente turbulenta del fenómeno.
c) Incremento del caudal descargado por una compuerta deslizante al rechazar el retroceso del agua contra la compuerta. Esto aumenta la carga efectiva y con ella el caudal.
d) La recuperación de carga aguas debajo de un aforador y mantenimiento de un nivel alto del agua en el canal de riego o de distribución del agua.
La energía específica en la sección de un canal se define como la energía por kilogramo de agua que fluye a través de la sección, medida con respecto al fondo del canal.
De lo anterior, la ecuación de Bernoulli, para la sección del canal es:
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| ECUACIÓN 64. FORMULA DE BERNOULLI PARA LA SELECCIÓN DE UN CANAL |
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| ECUACIÓN 65.FORMULA DE ENERGÍA ESPECIFICA |
Mediante la energía específica se pueden resolver los más complejos problemas de transiciones cortas en las que los efectos de rozamiento son despreciables.
Si consideramos α = 1, se tiene:
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| ECUACIÓN 66.FORMULA DE ENERGÍA ESPECIFICA DESPRECIANDO ROZAMIENTOS. |
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| ECUACIÓN 67.FORMULA DE CONTINUIDAD PARA CUALQUIER GEOMETRÍA DEL CANAL |
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| ECUACIÓN 68.FORMULA FINAL DE ENERGÍA ESPECIFICA. |
Suponiendo que Q es constante y A es función del tirante, la energía especifica es función únicamente del tirante.
Graficando la última ecuación para un caudal constante , se obtiene una curva de dos ramas, lo cual se puede apreciar del siguiente análisis:
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| ECUACIÓN 69. CONDICIONES PARA GRÁFICAR |
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| IMAGEN 40.CURVAS DE ENERGÍA ESPECIFICA |
En la figura siguiente, la curva específica tiene dos ramas, AC y BC. La rama AC se aproxima asintóticamente al eje horizontal hacia la derecha. La rama BC se aproxima a la línea OD a medida que se extiende hacia arriba y hacia la derecha. La línea OD es una línea que pasa a través del origen y tiene un ángulo de inclinación igual a 45º. Para un canal de pendiente alta, el ángulo de inclinación de la línea OD será diferente de 45º. En cualquier punto P de esta curva, la ordenada representa la profundidad y la abscisa representa la energía específica, que es igual a la suma de la altura de presión y y la altura de velocidad V2/2g.
La curva muestra que, para una energía específica determinada, existen dos posibles profundidades, la profundidad baja y1 y la profundidad alta y2. La profundidad baja es la profundidad alterna de la profundidad alta, y viceversa. En el punto C, la energía específica es mínima. Más adelante se probará que esta condición de energía específica mínima corresponde al estado crítico de flujo. Por consiguiente, en el estado crítico es claro que las dos profundidades alternas se convierten en una, la cual es conocida como profundidad crítica yc.
Cuando la profundidad de flujo es mayor que la profundidad crítica, la velocidad de flujo es menor que la velocidad crítica para un caudal determinado y, por consiguiente, el flujo es subcrítico. Cuando la profundidad del flujo es menor que la profundidad crítica, el flujo es supercrítico. Por tanto, y1 es la profundidad de un flujo supercrítico y y2 es la profundidad de un flujo subcrítico.
Si el caudal cambia, existirá un cambio correspondiente en la energía específica. Las dos curvas A'B' y A"B" representan posiciones de la curva de energía específica cuando el caudal es menor y mayor, respectivamente, que el caudal utilizado para la construcción de la curva AB.
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| IMAGEN 41.CURVA DE ENERGÍA ESPECIFICA |
SECCIÓN HIDRÁULICAMENTE EFICIENTE
Analizaremos cuál es la sección más conveniente teniendo en cuenta sólo las condiciones hidráulicas, o sea la forma geométrica de sección transversal más eficiente, o sea que conduce el mayor caudal. Es decir, que no se analizan factores como factibilidad de construcción, materiales, costo de excavación, etc.El caudal aumenta con el aumento del radio hidráulico. Por lo tanto aumenta cuando el área de la sección transversal también aumenta o cuando el perímetro mojado disminuye .La sección que tenga menor perímetro mojado para un área determinada transportará mayor caudal, entonces esa sección es la óptima hidráulicamente. Entre secciones de igual superficie, el semicírculo tiene el menor perímetro, por lo que es la forma geométrica máseficiente desde el punto de vista hidráulico.A
continuación se resumen criterios para elegir la sección más conveniente hidráulicamente:
- Entre las superficies de igual perímetro la de mayor superficie es el círculo.
- De los polígonos de n lados, el de mayor superficie es el regular.
- De los polígonos de lados de longitud dada el de mayor superficie es el que se inscribe en un círculo.
- De los polígonos de ángulos dados el de mayor área superficie es el que secircunscribe en un círculo
La sección transversal puede considerarse como medio polígono, para poder aplicar las condiciones anteriores. Por lo tanto la mejor sección es el semicírculo, entre las trapeciales el semihexágonoregular, entre las rectangulares el semicuadrado, y entre las triangulares el triángulo isósceles de 45º.El principio de la mejor sección hidráulica se aplica sólo en el diseño de canales no erosionables, o sea revestidos con hormigón o cualquier otro material . Las secciones transversales en canales naturales son irregulares, mientras que en los canales artificiales se proyectan de formas geométricas regulares. A continuación indicamos las más usuales.
BIBLIOGRAFIAResalto hidráulico en :
http://www.cuevadelcivil.com/2011/03/resalto-hidraulico.html
Energia especifica en :
http://www.cuevadelcivil.com/2011/02/energia-especifica.html
Sección hidráulicamente eficiente en :
http://es.scribd.com/doc/78870811/SECCION-TRANSVERSAL-DE-UN-CANAL-OPTIMA
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