LABORATORIO DE HIDRÁULICA No. 3 RESALTO HIDRAULICO INTRODUCCIÓN El resalto hidráulico es el ascenso brusco del nivel del agua que se presenta en un canal abierto a consecuencia del retardo que sufre una corriente de agua que fluye a elevada velocidad y pasa a una zona de baja velocidad. Este fenómeno presenta un estado de fuerzas en equilibrio, en el que tiene lugar un cambio violento del régimen de flujo, de supercrítico a subcrítico. En este se produce la elevación del nivel de la columna de agua superficial de un canal, lo cual con lleva al aumento del tirante; estos se forman generalmente en canales horizontales o con una ligera inclinación, en estos el peso del agua dentro tiene muy poco efecto sobre su comportamiento. (Trueba, 1961)
Figura 1. Resalto hidráulico y sus componentes. Estos resaltos pueden ser utilizados para indicar condiciones especiales de flujo, como por ejemplo la existencia de flujo supercrítico. Además son utilizados en diferentes aplicaciones como son mezcla de agua y aireación de la
misma, pero su uso más generalizado es para disipación de energía en un flujo de agua, para evitar la socavación del canal que la transporta. (Ven te Chow, 1994). Teniendo en cuenta el número de Froude antes del resalto, se define el tipo de resalto generado, los cuales se describen en la tabla 1.
Tabla1. Tipos de resalto hidráulico F1
Tipo
Características del resalto
F1=1 1
Ondular
1.7
Débil
2.5
Oscilante
4.5
Permane nte o estable
Flujo crítico, por lo que no se forma ningún resalto. El ondulamiento de la superficie en el tramo de mezcla es mayor y aguas abajo las perturbaciones superficiales son menores. Se generan muchos rodillos de agua en la superficie del resalto, seguidos de una superficie suave y estable. La energía disipada está entre el 5%-15%. Presenta un chorro intermitente sin ninguna periodicidad, que parte desde el fondo y se manifiesta hasta la superficie, y retrocede nuevamente. Cada oscilación produce una gran onda que puede viajar largas distancias. La disipación de energía es del 15%-45%. Se trata de un resalto plenamente formado, con mayor estabilidad y el rendimiento es mejor, pudiendo
F1>9
Fuerte
variar la energía disipada entre 45 % a 70 %. Resalto con gran disipación de energía (hasta 80 %), gran ondulación de la superficie con tendencia de traslado de la zona de régimen supercrítico hacia aguas abajo. Caracterizado por altas velocidades y turbulencia, con generación de ondas y formación de una superficie tosca aguas abajo.
OBJETIVOS Estudiar, a través del experimento, el comportamiento de un resalto hidráulico en un canal rectangular de pendiente muy baja o nula y conocer las condiciones para que este se genere.
Determinar cuál es el tipo de resalto que se forma en la práctica en un canal horizontal.
MATERIALES
Canal en acrílico con accesorios (compuerta de desfogue) Motobomba Deposito Probeta Limnimetro Cinta métrica Cronometro
PROCEDIMIENTO Para realizar la práctica de resalto hidráulico en un canal rectangular, se procede de la siguiente manera:
1) Se nivela el canal, con ayuda de la cinta métrica, hasta que quede totalmente horizontal. 2) Se mide el ancho del canal con la cinta métrica y con el limnimetro se mide la profundidad del canal. 3) Se enciende la motobomba y se abre la válvula de entrada para que el agua fluya a través del canal. 4) Se procede a ajustar la compuerta de desfogue del canal, para que se produzca el resalto (sugerencia: después de iniciada la primera toma de datos, no se deben volver ajustar las compuertas de desfogue por ningún motivo, ya que se cambiarían las condiciones del resalto). 5) Se procede a la medición de las características del resalto, primero se mide con ayuda del limnimetro los tirantes conjugados y segundo se mide la longitud del resalto con la cinta métrica. 6) Se mide el caudal que transporta el canal por medio del método volumétrico; este método consiste en medir por medio de la probeta un volumen de agua en un tiempo determinado. Se toman 5 medidas de caudal para un mismo tirante. 7) Se varía el caudal del canal con ayuda de la válvula de entrada y se repiten del quinto paso en adelante.
CONSIGNACIÓN DE RESULTADOS Ancho del canal: _____________ Profundidad del canal: ___________
Tabla 2. Resultados obtenidos en el experimento por cada grupo Y1 V
Y1 V
Y1 V
GRUPO #1 Y2 T
GRUPO #3 Y2 T
GRUPO #5 Y2 T
Lr
Y1
GRUPO # 2 Y2
Q
V
T
Q
Lr
Y1
GRUPO # 4 Y2
Lr
Q
V
T
Q
Lr
Y1
GRUPO # 6 Y2
Lr
Q
V
T
Q
Lr
Para la presentación de los resultados en el informe deben llenar las siguientes tablas, utilizando las siguientes formulas:
Para los datos consignados en la tabla 3
Área hidráulica para cada uno de los tirantes conjugados A= BxY Dónde: A: Área hidráulica (m2) B: Ancho del canal (m) Y: Tirante de agua (m) Velocidad de flujo para cada uno de los tirantes conjugados V= Dónde: V: velocidad de flujo (m/s) Q: Caudal (m3/s) A: Área hidráulica (m2) Tabla 3. Datos de área y velocidad hidráulica para cada tirante conjugado Grupo 1 2 3 4 5 6
Y1
Y2
A1
V1
A2
Para los datos consignados en la tabla 4
Altura del resalto hidráulico Hr h Dónde: Hrh: Altura del resalto (m) Y1: Tirante de agua antes del resalto (m) Y2: Tirante de agua después del resalto (m) Profundidad hidráulica para cada uno de los tirantes conjugados. D= Dónde: D: Profundidad hidráulica (m) A: Área hidráulica (m2) T: Ancho superficial (m)
V2
Numero de Froude para cada uno de los tirantes conjugados F = √ Dónde: F: Número de Froude V: Velocidad de flujo (m/s) g: Gravedad (m/s2) D: Profundidad hidráulica (m)
Energía específica para cada uno de los tirantes conjugados
E = Dónde: E: Energía específica Y: Tirante de agua (m) V: Velocidad de flujo (m/s) g: Gravedad (m/s2)
Diferencia o pérdida de energía específica
Dónde: : Diferencia de energía E1: Energía específica antes del resalto E2: Energía específica después del resalto
Eficiencia de un resalto hidráulico
Dónde: : Eficiencia del resalto E2: Energía específica después del resalto E1: Energía específica antes del resalto
Tabla 4. Resultados obtenidos para cada resalto Resalto hidráulico 1 2 3 4 5 6
Y1 (m)
Y2 (m)
LRH (m)
hRH (m)
QB (m3 /s)
F1
F2
E1
E2
ΔE
η
exp
Para los datos consignados en la tabla 5
Eficiencia de conversión de energía cinética en energía potencial
Dónde: : Eficiencia de conversión Y1: Tirante de agua antes del resalto (m) Y2: Tirante de agua después del resalto (m)
Tabla 5. Tipo de resalto obtenido para cada una de las pruebas Resalto hidráulico 1 2 3 4 5 6
η conv
Tipo de resalto
BIBLIOGRAFÍA
Ven te Chow. Hidráulica de Canales Abiertos. McGraw-Hill. Illinois, 1994. Pag 385-390 Samuel Trueba Coronel. Hidráulica, quinta edición. Norgis Editores S.A. 1961. Pag 264-268
