2. 1. Definiciones básicas
Canal abierto:
Es un conducto en el cual el agua fluye como en una
superficie libre (existe una parte del agua en contacto con la
atmósfera). Los escurrimientos que ocurren en este tipo de
conductos se denominan escurrimientos de contorno abierto
y se diferencia del de contorno cerrado (tuberías) en que
estos últimos se realizan a sección completa. En el
escurrimiento de contorno cerrado la presión es mayor a la
atmosférica.
Cuando existe un escurrimiento en un contorno cerrado pero
sin sección completa, se denomina escurrimiento abovedado.
CIRCULACIÓN DE AGUA EN CANALES
3. Canal natural:
Curso de agua que existe en forma natural (ríos, esteros, etc.).
Canal artificial:
Son los construidos por el hombre y en los cuales sus características hidráulicas
son controladas por medio del diseño.
Canal prismático:
Canal con sección transversal constante y pendiente de fondo también constante
Sección de un canal:
Área transversal perpendicular al eje del escurrimiento.
4. 2. Elementos geométricos de una sección
Dentro de los principales parámetros geométricos de una
sección de canal se encuentran:
Profundidad del flujo (h): distancia entre el punto más bajo de
la sección y la superficie libre.
Ancho superficial (l): es el ancho de la sección del canal en la
superficie libre.
Área mojada (Am): sección transversal que contiene al fluido.
5. Perímetro mojado (Pm): longitud de la línea de intersección
de la superficie mojada del canal y un plano transversal en
la dirección del flujo.
Radio hidráulico (Rh): razón entre Am y Pm
Profundidad hidráulica (D): relación entre el área mojada y
el ancho superficial del canal ( D = Am / l )
Eje hidráulico: es un eje que va entre la intersección de la
superficie libre del escurrimiento y el eje de cada una de las
secciones transversales consecutivas. Este eje determina la
cota de la superficie libre a lo largo del canal.
6. 3. Fuerzas que determinan los escurrimientos
Las principales fuerzas que producen el escurrimiento del
agua en canales son:
Fuerza gravitacional o peso del agua (su componente en la
pendiente hacia aguas abajo)
Fuerzas de presión (depende de las profundidades)
Fuerzas resistivas o de fricción (pueden ser laminares o
turbulentas)
Tensión superficial (despreciable en ríos o canales)
Fuerza de Coriolis (en realidad es una aceleración,
despreciable en ríos o canales)
Fuerza centrífuga (se produce en curvas)
7. 4. Ecuaciones para el cálculo de la velocidad
Ecuación de Chezy (1768): esta ecuación relaciona la velocidad
media del flujo en un canal abierto con las propiedades
geométricas y la pendiente de la línea de energía por medio de
un coeficiente empírico (coeficiente de Chezy) y es la base para
la ecuación de Manning. Los supuestos utilizados son:
escurrimiento permanente, pendiente de fondo pequeña y canal
prismático.
El coeficiente de Chezy al igual que el factor de fricción depende
de la rugosidad del canal y del número de Reynolds.
8. donde:
V : velocidad media del escurrimiento
c : coeficiente de Chezy
Rh : radio hidráulico
Sf : pendiente de la línea de carga
9. Ecuación de Manning (1889): relaciona la velocidad
media del flujo en un canal abierto con sus
características geométricas por medio de un
coeficiente empírico llamado coeficiente de
rugosidad de Manning, el cuan depende del material
con que está constituido en canal. Esta ecuación es
mas utilizada que la de Chezy:
10. donde:
V : velocidad media del escurrimiento
n : coeficiente de rugosidad de Manning
Rh : radio hidráulico
S0 : pendiente longitudinal del lecho
11. Valores para el coeficiente de rugosidad de Manning se
pueden encontrar en la literatura técnico o científica. A
continuación se entregan valores recopilados por Ven Te
Chow (1959)
12. En el diseño de canales, por lo general la pendiente de
fondo es fijada previamente (pendientes
recomendadas según tipo de material del lecho), de
este modo interesa saber cuanto puede transportar el
canal (caudal) para una sección dada. Lo que también
es frecuente es, una vez elegida la forma de la sección
transversal del canal (casi siempre trapezoidal)
determinar en función de un caudal dado el eje
hidráulico (altura de escurrimiento)
13. 5. Clasificación del escurrimiento en canales abiertos
Según variación en el tiempo
Flujo permanente: no hay variación de las propiedades del
escurrimiento en el tiempo
No permanente: hay variación de las propiedades del
escurrimiento en el tiempo
Según variación en el espacio
Uniforme: no hay variación de las propiedades del
escurrimiento desde un punto a otro del canal
Variado: hay variación de las propiedades del escurrimiento
desde un punto a otro del canal
Rápidamente variado: Cuando las propiedades del flujo varían en una
distancia corta (resalto hidráulico, caída hidráulica, singularidades)
Gradualmente variado: Transición suave de las propiedades y en
tramos de longitud considerable
14. Según ordenamiento de las partículas, se usa como criterio el
número de Reynolds
Laminar: Para Re pequeño, no se da en canales abiertos
Turbulento: Para Re grandes, siempre se da en canales
abiertos
Según razón entre fuerzas turbulentas y gravitacionales, se
utiliza un número adimensional llamado número de Froude:
donde:
V : velocidad media del escurrimiento
y : altura del escurrimiento o profundidad hidráulica (D)
g : aceleración de gravedad
15. Ya definido en número de Froude tenemos la
siguiente clasificación:
Escurrimientos en que predominan las fuerzas
turbulentas se dicen supercríticos o de torrente (F > 1)
Escurrimientos en que predominan las fuerzas
gravitacionales se habla de escurrimientos subcríticos o
de río (F < 1)
Cuando las dos fuerzas son iguales (F = 1) de denomina
escurrimiento o flujo critico
16. 6. Ecuación de Continuidad
En cualquier flujo, el caudal Q en una sección del canal se
expresa por: , donde V es la velocidad media de la sección y A
el área transversal. El la mayor parte de los problemas de
flujo permanente el caudal es constante a través del tramo
de canal en consideración; en otras palabras, el flujo es
continuo. Por lo tanto y al igual que en el caso de tuberías
podemos plantear la siguiente ecuación de continuidad:
17. 7. Energía del flujo en canales abiertos
De la hidráulica elemental se sabe que para expresar la energía total (Bernoulli) en
cualquier línea de corriente en una sección transversal, se debe sumar: la elevación por
encima del nivel de referencia (energía potencial), la altura de presión (energía de
presión) y la altura de velocidad.
Como el flujo en canales abiertos ocurre a presión atmosférica y por lo general se
utiliza la presión relativa (p = 0), la energía del flujo (Bernoulli) esta dada por:
donde:
E : energía especifica (m)
y : altura del escurrimiento (m)
V : velocidad media del escurrimiento (m/s)
