RESALTO HIDRAULICO 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. 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
Los saltos hidráulicos se producen 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 práctica 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 t ener lugar ya sea, sobre la superficie libre de un u n flujo homogéneo en una interfase de densidad de un flujo estratificado y en cualquiera 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 crítica se genera una onda estacionaria de altura infinita a la que se denomina resalto hidráulico, la velocidad del agua se reduce de un valor V 1> C a V 2 < C, la profundidad del flujo aumenta de un valor bajo Y 1 denominado inicial a un valor Y 2 alto denominado secuente o alterno.
En un resalto observaciones:
como
el
que
se
muestra se pueden realizar
las siguientes
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, 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 o alternos. Donde: y2 y1
= =
tirante tirante
conjugado conjugado
o o
alterno alterno
mayor 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.
Profundidades conjugadas de un resalto hidráulico en canales rectangulares de fondo horizontal o de pendiente pequeña. Se obtiene:
Altura de un resalto hidráulico, hRH. Se define altura del resalto hidráulico a la diferencia entre las profundidades conjugadas y2 y y1
Tipos de resalto hidráulico. Los resaltos hidráulicos pueden ser de varios tipos, y suelen clasificarse en atención a su ubicación respecto de su posición normal y al número de Froude F1 .
Tipos de R.H., según su posición. Existen tres posibles posiciones del R.H. con respecto a su fuente de generación (compuertas, vertederos de rebose y rápidas), mostradas en la Figura 6.5, dependiendo
de la profundidad y’2, de aguas abajo, impuesta por algún control o por cualquier condición particular del flujo.
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. Puede demostrarse que la perdida es DE = E1 – E2 = (Y2 – Y1)3 /(4 Y1Y2) DE/ 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 F12 (2 + F12)) F: número 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 la relación 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.
TIPOS DE RESALTO HIDRÁULICO Los saltos hidráulicos se pueden clasificar, de acuerdo con el U.S. Bureau of Reclamation, de la siguiente forma, en función del número de Froude del flujo aguas arriba del salto (los límites indicados no marcan cortes nítidos, sino que se superponen en una cierta extensión dependiendo de las condiciones locales):
Para F1 = 1,0: el flujo es crítico, y no se forma ningún salto. Para F1 > 1,0 y < 1,7: la superficie del agua muestra ondulaciones, y el salto es llamado salto ondular. Para F1 > 1,7 y < 2,5: tenemos un salto débil. Este se caracteriza por la formación de pequeños rollos a lo largo del salto y una superficie lisa aguas abajo del salto. La pérdida de energía es baja. Para F1 > 2,5 y < 4,5 : se produce un salto oscilante. Se produce un chorro oscilante entrando al salto del fondo a la superficie una y otra vez sin periodicidad. Cada oscilación produce una gran onda de período irregular que puede viajar varios kilómetros causando daños aguas abajo en bancos de tierra y márgenes.
Para F1 > 4,5 y < 9,0 : se produce un salto llamado salto permanente. La extremidad aguas abajo del rollo de la superficie y el punto en el cual el chorro de alta velocidad tiende a dejar el flujo ocurre prácticamente en la misma sección vertical. La acción y posición de este salto son menos sensibles a la variación en la profundidad aguas abajo. El salto está bien balanceado y el rendimiento en la disipación de energía es el mejor, variando entre el 45 y el 70 %. Para F1 = 9,0 o mayor : se produce el llamado salto fuerte. El chorro de alta velocidad choca con bloques de agua intermitentes que circulan aguas abajo, generando ondas aguas abajo, y puede prevalecer una superficie áspera. La efectividad del salto puede llegar al 85 %.
USOS PRÁCTICOS DEL RESALTO HIDRÁULICO
Prevención o confinamiento de la socavación aguas debajo de las estructuras hidráulicas donde es necesario disipar energía.
Mezclado eficiente de fluidos o de sustancias químicas usadas en la purificación de aguas, debido a la naturaleza fuerte mente turbulenta del fenómeno.
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.
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.
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 de irrigación o de cualquier estructura para distribución de aguas.
Incrementar el peso sobre la zona de aguas debajo de una estructura de mampostería y reducir la presión hacia arriba abajo dicha estructura aumentando la profundidad del agua en su zona aguas abajo
Aumentar el caudal por debajo de una compuerta deslizante y la altura efectiva se reducirá si la profundidad de aguas abajo ahoga el resa lto.
Airear el agua en sistemas de suministros urbanos y el desclorinado en el tratamiento de agua.
Remover bolsas de aire en las líneas de suministro de aguas y prevenir el taponamiento por aire.
Para indicar condiciones especiales de flujo, como la existencia de flujo supercrítico o la presencia de una sección de control, de tal manera que pueda localizarse una estación de aforo.
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. 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 identificación de condiciones especiales de flujo con el fin de medir la razón efectividad-costo del flujo.
TIPOS DE FRESALTO HIDRAULICO
Resalto hidráulico libre O CLARO o en posición normal. Es la posición ideal de un R.H. para la cual y1 y F1, inmediatamente aguas arriba del mismo, son tales que, al mismo tiempo que satisfacen a la ecuación de las profundidades conjugadas (6.14) y (6.19), también se verifica que y2 = y’2.
Resalto hidráulico repelido O BARRIDO. Es aquel resalto que se forma a una distancia, no determinada teóricamente, aguas abajo de la posición normal descrita en el numeral anterior. Ocurre porque la profundidad impuesta aguas abajo, y’2, es menor que y2
El R.H., en esta situación, se desplaza aguas abajo hasta una posición tal que y1 y F1, de la posición normal, cambian a nuevos valores y’1 y F’1, tales que satisfacen, junto con y2 = y’2.
Resalto hidráulico sumergido o ahogado. Es la situación del R.H. que se desplaza hacia aguas arriba, es decir, hacia la fuente generadora, en virtud de que la profundidad y’2, del flujo, aguas abajo del resalto, es mayor que la profundidad y2 que, junto con y1 y F1, satisfacen a la ecuación de las profundidades conjugadas Los nuevos valores de y’1 y F’1, bajo la condición de R.H. ahogado, no son determinables teóricamente.
CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DEL RESALTO HIDRÁULICO Las pérdidas 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. Controlar los resaltos hidráulicos de modo que el flujo supercrítico, no salga de límites 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 cana l, etc. 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 muestra este fenómeno.
