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• Ramón Chevchenko

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Laboratorio de Hidráulica II Práctica No. 6. “Salto Hidráulico”

Práctica No. 6 “Salto Hidráulico” OBJETIVO: “El alumno analizará las características del salto hidráulico en un canal rectangular y evaluará las diversas fórmulas empíricas que rigen su comportamiento”. INTRODUCCIÓN El salto hidráulico es un fenómeno que se presenta exclusivamente en canales, cuando un flujo de agua que viaja a régimen supercrítico, choca o alcanza a una masa de agua que fluye en régimen subcrítico; presentándose abruptamente el cambio de régimen, acompañado de una gran turbulencia, disipando energía y realizando una inclusión de aire en la masa líquida. Para que el salto hidráulico realmente se produzca, es necesario que los dos tirantes conjugados que lo acompañan (menor y mayor), sean diferentes del crítico.

Fig. 6.1. Salto hidráulico.

Además, el salto debe ser estable, con lo cual las fuerzas que lo acompañan deben estar en equilibrio y debe conservarse el momentum de una sección a otra (también conocida como “FUERZA ESPECÍFICA”). La función momentum depende únicamente de la sección del canal, del tirante y del gasto, por lo que, existen ecuaciones y procedimientos específicos de solución al problema del salto hidráulico para cada tipo de sección de canal.

Fig. 6.2. Gráfica de la ecuación Momentum o de Fuerza Específica.

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La expresión empleada para calcular el momentum en cualquier sección i es:

Q2 Mi = + Z i Ai gAi

(6.1)

Donde:

Por lo general, en casi todos los problemas de salto hidráulico se conoce uno de los tirantes conjugados y es necesario calcular al otro. Con fines de notación, en todas las expresiones y cálculos posteriores, será llamado dk al tirante conocido y dj al que será necesario calcular.

EL SALTO HIDRÁULICO EN CANALES RECTANGULARES Por la condición de equilibrio y de conservación, los momentos correspondientes a los tirantes conjugados deberán ser iguales y de acuerdo a la geometría tan simple de la sección, el cálculo se reduce a la aplicación directa de la siguiente expresión:

dj =

[ 1 + 8F − 1]

dk 2

2 1

(6.2)

La longitud del salto hidráulico puede ser calculado con las siguientes expresiones: Expresión

Ls = 9.75d1 [Fr1 − 1]

1.01

[

2

3

Ls = d 2 3.491 + 0.73Fr1 − 0.06 Fr1 + 0.001441Fr1 Ls = 6(d 2 − d 1 ) Ls = 5.9d 1 Fr1 Ls = 8.3d 1 ( Fr1 − 1)

]

Referencia USBR-1 (E.U.) USBR-2 (E.U.) Smetana (Rep. Checa) Safranez (Alemania) Einwachter (Alemania)

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Ls = (d 2 − d 1 )(8 − 0.05

d2 ) d1

Wóycicki (Polonia) Chertusov (Rusia)

Ls = 10.3d 1 ( Fr1 − 1) 0.81 Ls = 10.6(d 2 − d 1 )

Sieñchin

Además, existe otro método propuesto por el USBR(3): Fr1 =

V1 gd1

Ls d 2

1.7

2

2.5

3

3.5

4

5

6

8

10

4.00

4.35

4.85

5.28

5.55

5.80

6.00

6.10

6.12

6.10

Obviamente al existir el salto hidráulico y un “remanso” aguas abajo existen pérdidas de carga, las cuales pueden ser calculadas con la expresión siguiente:

(d 2 − d1 )3 ∑ p = 4d d 1 2

(6.3)

Por otra parte, los saltos hidráulicos pueden ser clasificados en función de la “violencia“ con la cual se desarrollan, atendiendo principalmente a la “magnitud” del régimen hidráulico que se genera aguas arriba. Fr1 1-1.7 1.7-2.5 2.5-4.5 4.5-9.0 >9.0

Tipo Salto Hidráulico Ondular Débil Oscilatorio Regular Fuerte

EJEMPLO En un canal rectangular horizontal se presenta un salto hidráulico, el canal tiene 2.50m de base y uno de los tirantes conjugados es de 0.63m, de acuerdo con una canaleta Parshall ubicada “aguas arriba” circula un gasto de 5.0m3/s a través del canal. Determinar: a) Analíticamente la existencia del salto hidráulico. b) La longitud del salto hidráulico.

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c) Las pérdidas que se presentan en el salto. d) La conservación del momentum en cada una de las secciones. e) El tipo de salto hidráulico generado. 1/ 3

 q2  Recordar: dc =   g

Fr =

q gd 3

REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA DE LABORATORIO 1. Generar un salto hidráulico en el canal de pendiente variable. 2. Medir los tirantes en cada una de las secciones. 3. Estimar físicamente la longitud del salto hidráulico. CONTENIDO DEL REPORTE DE LA PRÁCTICA DE LABORATORIO 1. Dibujo de la forma en la cual se generó el salto hidráulico en el laboratorio. 2. Verificar analíticamente la existencia del salto hidráulico. 3. Calcular la longitud del salto con todos los métodos propuestos, las pérdidas generadas, el tipo de salto hidráulico y el momentum en cada una de las secciones. 4. Comparar los datos obtenidos analíticamente con los medidos en el laboratorio y anotar todas las observaciones pertinentes. Explicar cuál es el método más adecuado para determinar la longitud del salto. 5. Conclusiones de la realización de la práctica, anexando tres posibles aplicaciones del salto hidráulico.

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