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Información sobre la energía potencial en canales abiertos, el estado de flujo y el cálculo del flujo uniforme. Se incluyen ecuaciones clave, como la ecuación de Manning, y se discuten conceptos relacionados con el número de Froude, Reynolds y Manning. El documento también menciona el diseño de canales y la importancia de la rugosidad, velocidad mínima permisible y pendiente en el proceso de diseño.
Tipo: Ejercicios
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Diseño de Laboratorio virtual de hidráulica de canales abiertos Juan Guillermo Hernández Romero Edgar Orjuela Montoya Corporación Universitaria Minuto de Dios Sede Programa
Lista de tablas
Lista de anexos
Resumen Palabras clave:
Nombre del proyecto 10 Introducción En sus primeros desarrollos la Ingeniería Civil no contaba con los recursos tecnológicos con los que cuenta actualmente. Para el desarrollo del cálculo matemático y el diseño de alguna estructura hidráulica se requería de varias horas para su ejecución, el uso de tablas y diagramas para el análisis basado en datos que muchas veces no correspondían con las misma características y circunstancias propias de cada diseño en particular”. Adicionalmente, los repetitivos cálculos manuales acumulaban errores propios de las aproximaciones o el cansancio generando resultados inexactos. En la actualidad, gracias a los avances de la ciencia y la tecnología nos permite la generación de aplicaciones de software para uso en la ingeniería civil y en diversos campos de la actividad humana. Esto resulta de suma importancia para mejorar los criterios de calidad en el diseño de muchos de los sistemas aplicados a la hidráulica de canales abiertos. Todo gracias a la expansión del uso de las computadoras, teléfonos inteligentes, tabletas electrónicas a un mayor porcentaje de la población, impactando de forma positiva el desempeño del aprendizaje y uso de nuevas tecnologías en la formación de nuestros estudiantes para enfrentar los retos de un mundo globalizado. Siendo esta la oportunidad para desarrollar una aplicación que le permita tanto a los docentes como estudiantes corroborar la veracidad de sus repuesta desarrolladas matemáticamente en sus proyectos pedagógicos en clase con el uso de esta herramienta; Que permite comprender la evolución que ha tenido la sistematización de tareas y el manejo de la información que hoy en día conocemos, logrando principalmente conseguir que innumerables
Nombre del proyecto 11 actividades del diaria hacer de la docencia, que antes se ejercía de forma manual y con un alto costo sean ejecutados por un computador con un ahorro significativo de tiempo, permitiendo que las prácticas, tanto de laboratorio como de clase tengan a disposición una aplicación propia para desarrollar laboratorios virtuales y el manejo de práctica de forma automatizada y remota, logrando mejores resultados y en menor tiempo.
Nombre del proyecto 13 Figura 1 Juan H, Cadavid 1.1 Geométrica de la sección Un canal construido con una sección transversal invariable y una pendiente de fondo constante, se conoce como canal prismático. De otra manera, el canal es no prismático debido a la variación en su sección trasversal. Los canales artificiales se construyen con unas secciones transversales cuya forma obedece a uno, o unos, entre los siguientes criterios: una aplicación específica, economía, topografía, resistencia estructural o estabilidad geotécnica. A continuación, se presenta una descripción de las clases utilizadas con mayor frecuencia: Sección rectangular Sección trapezoidal Sección triangular Sección circular Sección parabólica El término sección de canal se refiere a la sección transversal de un canal tomado en forma perpendicular a la dirección del flujo. Una sección vertical del canal, sin embargo, es la sección vertical que pasa a través del punto más bajo o del fondo de la sección del canal. Para canales horizontales, por consiguiente, la sección del canal es siempre una sección vertical del canal Los canales artificiales a menudo se diseñan con secciones de figuras geométricas regulares. La tabla 1, relaciona siete formas geométricas utilizadas comúnmente. La forma trapezoidal es la más común para canales con terraplenes de tierra sin revestir, debido a que se proveen las pendientes necesarias para estabilidad. El rectángulo y el triángulo son casos especiales del trapecio. Debido a que el rectángulo tiene lados verticales, por lo general se utiliza para canales construidos con materiales estables, como mampostería, roca, metal o madera. La sección rectangular es utilizada solo para pequeñas acequias, cunetas a lo largo de carreteras y trabajos de laboratorio. El círculo es la sección más común para colectores y alcantarillas de tamaño pequeño y mediano. La parábola se utiliza como una aproximación a secciones de canales naturales de tamaño pequeño y mediano. El rectángulo con esquinas redondeadas es
Nombre del proyecto 14 una modificación del rectángulo. El triángulo con fondo redondeado es una aproximación de la parábola; ésta es la forma creada a menudo con la utilización de excavadoras o herramientas manuales[ CITATION Ven94 \l 9226 ]. Tabla 1 relaciones geométricas Fuente: Vente Chow 1994 1.1 Propiedades geométricas de la sección hidráulica Las propiedades geométricas dependen de la forma de la sección y de la profundidad de la lámina de agua. Profundidad de circulación (y): Distancia entre la superficie libre del agua y el punto más bajo de la sección vertical. Tirante (y): Es la distancia entre la superficie y fondo del canal en un plano perpendicular a la dirección del flujo. Ancho de fondo (b): Ancho del canal en la parte más profunda Talud (Z): distancia horizontal correspondiente a una unidad vertical de altura. Propiedades Geométricas de la sección transversal
Nombre del proyecto 16 Número de Froude Según [ CITATION Ven94 \l 9226 ] se tiene la ecuación 5 y la clasificación del flujo de acuerdo al número de Froude. Ecuación 1 Número de Froude Número de Froude
Donde: Fr= Número de Froude. V= Velocidad del flujo D= Profundidad hidráulica g= Aceleración de la gravedad De acuerdo con el número de Froude, el flujo puede ser: Supercrítico: Cuando el número de Froude es mayor a 1 Crítico: Cuando el número de Froude es igual a 1 Subcrítico: Cuando el número de Froude es menor a 1 1.3 Régimen de flujo El régimen o comportamiento del flujo en canales abiertos está gobernado básicamente por los efectos de viscosidad y gravedad en relación con las fuerzas inerciales del flujo. La tensión superficial del agua puede afectar el comportamiento del flujo bajo ciertas circunstancias, pero no juega un papel significativo en la mayor parte de los problemas de canales abiertos que se presentan en ingeniería. El flujo puede ser laminar, turbulento o de transición según el efecto de la viscosidad en relación de la inercia.
Nombre del proyecto 17 El flujo es Laminar: si las fuerzas viscosas son muy fuertes en relación con las fuerzas inerciales, de tal manera que la viscosidad juega un papel muy importante en determinar el comportamiento del flujo. En el flujo laminar, las partículas de agua se mueven en trayectorias suaves definidas o en líneas de corriente, y las capas de fluido con espesor infinitesimal parecen deslizarse sobre capas adyacentes. El flujo es turbulento: Si las fuerzas viscosas son débiles en relación con las fuerzas inerciales. En flujo turbulento, las partículas del agua se mueven en trayectorias irregulares, que no son suaves ni fijas, pero que en conjunto todavía representan el movimiento hacia delante de la corriente entera. Entre los estados del flujo laminar y turbulento existe un estado mixto o transicional. El flujo es turbulento: Si las fuerzas viscosas son débiles en relación con las fuerzas inerciales. En flujo turbulento, las partículas del agua se mueven en trayectorias irregulares, que no son suaves ni fijas, pero que en conjunto todavía representan el movimiento hacia delante de la corriente entera. Entre los estados del flujo laminar y turbulento existe un estado mixto o transicional. Re= fuerzas Inerciales Fuerzas viscosas El efecto de la viscosidad en relación con la inercia (velocidad) puede representarse mediante el número de Reynolds, definido por[ CITATION Cad06 \l 9226 ]. Ecuación 2 Ecuación de Reynolds Re= VR ecuación (2.1) Ѵ Re= ρVD ecuación (2.2) μ Re= VL = 4V*R ecuación (2.2) Ѵ ѵ
Nombre del proyecto 19 imagen 2 flujo uniforme Fuente: Vente Chow 1994 El flujo uniforme es un estado ideal que difícilmente se logra. Sin embargo, en la mayoría de los casos (y sobre todo en canales rectos y largos de sección transversal y pendiente de fondo constante), se alcanza un flujo casi uniforme, de tal manera que la suposición es razonable especialmente porque simplifica el análisis[ CITATION Ven94 \l 9226 ]. El flujo uniforme es una condición de importancia básica que debe ser considerado en todos los problemas de diseño de canales. En un canal con cierta pendiente y rugosidad y que debe conducir cierto gasto, la condición de flujo uniforme es el criterio que gobierna el área de la sección transversal mínima requerida, o aun cuando exista otro criterio que determine las dimensiones de la sección, estas no podrán ser menores que dicha sección mínima. 1.5 Pendiente La pendiente longitudinal del fondo de un canal por lo general está dada por la topografía y por la altura de energía requerida para el flujo de agua. En muchos casos, la pendiente también depende del propósito del canal; por ejemplo, los canales utilizados para propósitos de
Nombre del proyecto 20 distribución de agua, como los utilizados en irrigación abastecimientos de agua, minería hidráulica y proyectos hidroeléctricos requieren. alto nivel en el punto de entrega. Por consiguiente, es conveniente una pendiente pequeña para mantener en el mínimo posible las pérdidas en elevación [ CITATION Ven94 \l 9226 ]. La pendiente de un canal se expresa de modos diferentes. En forma ideal, se define como la relación de la caída vertical (h) a la distancia horizontal en que ocurre dicha caída. Para pendientes pequeñas, comunes en el flujo en canales abiertos, es más práctico utilizar[ CITATION Ven94 \l 9226 ]: Ecuación 3 Pendiente de un canal Pendiente de un canal S=h L Donde: S= Pendiente del canal L= Longitud del canal h= Distancia vertical en que ocurre la caída vertical imagen 3 pendiente Fuente: Vente Chow 1994 1.6 Formas para expresar la pendiente
