Conceptos básicos de hidraulica basica.pptx

El material corresponde a una introducción a la Hidráulica en el contexto de la Ingeniería Agrícola,. En la primera parte, se presentan los conceptos básicos del flujo en canales y se enmarca la disciplina desde su etimología: la palabra hidráulica proviene del griego hydros (agua), aulos (conducción) e icos (relativo), lo que literalmente significa “relativo a la conducción del agua”. Esta rama de la física estudia los fenómenos mecánicos de los líquidos, con énfasis en el agua, tanto desde una perspectiva científica como práctica: por un lado, permite investigar fenómenos y leyes de la mecánica de fluidos, y por otro, facilita la planeación, diseño, operación y mantenimiento de estructuras hidráulicas como canales, sistemas de conducción, almacenamiento, control de ríos, avenidas y líquidos industriales
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Se introduce también la hidráulica clásica, que se basa en el estudio de líquidos ideales, caracterizados por propiedades como homogeneidad, incomprensibilidad, continuidad, ausencia de viscosidad e isotropía. Estas idealizaciones permiten simplificar los cálculos y sentar las bases del análisis de flujos en canales y tuberías
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A continuación, se hace una breve reseña histórica: desde las primeras manifestaciones de alcantarillado en Babilonia (3750 a.C.) y los acueductos en Asiria (691 a.C.) hasta las contribuciones de filósofos griegos como Empédocles y Arquímedes (con el principio hidrostático en cuerpos flotantes). Posteriormente, en Roma y Grecia se desarrollaron acueductos y drenajes, y ya en el Renacimiento se dieron aportes significativos con Stevin, Galileo, Torricelli y Bernoulli. En los siglos XVII y XVIII, matemáticos como Euler, Lagrange y Bernoulli consolidaron una síntesis hidrodinámica gracias al cálculo diferencial e integral, sentando las bases de la hidráulica moderna
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Luego, el documento explica las diferencias entre canales y tuberías. Los canales se caracterizan por ser estructuras hidráulicas con superficie libre en contacto con la atmósfera, donde la presión es atmosférica. Las tuberías, en contraste, son ductos cerrados donde el líquido está confinado, generándose presiones internas hidrostáticas. De allí surge una comparación entre flujo en tuberías y flujo en canales abiertos, clave para el diseño de sistemas de riego y drenaje
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Uno de los apartados principales aborda la ecuación general de la energía aplicada a fluidos, basada en la conservación de la energía. Se integra la energía interna, la debida a la presión, la velocidad y la posición en el espacio, lo que se conoce comúnmente como la ecuación de Bernoulli. Se explica la energía total en una sección de canal y la forma de representar la línea de energía y la línea piezométrica
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Más adelante, se presentan las pérdidas por fricción y se acompañan de ejercicios prácticos. Entre ellos se incluyen problemas de tanques abiertos con salidas a presión atmosférica, sistemas de tuberías con cambios de diá

1. www.usco.edu.co «Vigilada Mineducación» HIDRAÚLICA Conceptos Básicos del Flujo En Canales . M.Sc Nadia Brigitte Sanabria Méndez Nombre: Facultad de Ingeniería, Ingeniería Agrícola

2. Ecuación general de la energía = Energía que se agrega al fluido con un dispositivo mecánico, como una bomba; es frecuente que se le denomine carga total sobre la bomba. = Energía que se remueve del fluido por medio de un dispositivo mecánico, como un motor de fluido. = Pérdidas de energía del sistema por la fricción en las tuberías, o pérdidas menores por válvulas y otros accesorios.  

3. Ecuación General de la Energía La magnitud de las pérdidas de energía que produce la fricción del fluido, las válvulas y accesorios, es directamente proporcional a la carga de velocidad del fluido.  

4. En un problema particular es posible que no se requiera que aparezcan todos términos en la ecuación general de la energía. Por ejemplo, si no hay un dispositivo mecánico entre las secciones de interés, los términos serán igual a cero y se dejan fuera de la ecuación. Si las pérdidas de energía son tan pequeñas que puedan ignorarse se elimina el término .   Ecuación General de la Energía

5. La fórmula más ampliamente empleada para determinar las pérdidas por fricción es la ecuación de Darcy-Weisbach, ya que permite la evaluación apropiada del efecto de cada uno de los factores que afectan las pérdidas de carga, además puede aplicarse a todos los tipos de flujo (Laminar, Turbulento liso, turbulento de transición, y turbulento rugoso). Donde: = pérdidas de carga por fricción (m) = coeficiente de fricción (adimensional) = Longitud de la tubería (m) = Diámetro de la tubería (m) = Velocidad media (m/ seg ) = Aceleración de la gravedad (9.81 )   Pérdidas por Fricción

6. Ejercicios. Un tanque grande está abierto a la atmósfera y lleno con agua hasta una altura de 5 m, proveniente desde la toma de salida. Ahora se abre una toma cercana al fondo del tanque y el agua fluye hacia afuera por la salida lisa y redondeada. Determine la velocidad del agua en la salida. Para el sistema de la figura determine el caudal de la boquilla y la presión en el punto A.

7. Ejercicios. 3. Considere un tanque de grandes proporciones que alimenta al sistema de tuberías de se muestra en la figura. el sistema esta conformado por una tubería de 150 mm de diámetro que se une a una tubería de 100mm de diámetro. a su vez, esta última tubería se acopla a una boquilla de 50mm de diámetro y evacua el flujo en forma de chorro hacia el medio ambiente. la elevación de la superficie libre del tanque es de 7m respecto al nivel de referencia que pasa por el centro de la boquilla (nivel 0 m). Determine el caudal descargado por la boquilla así como la presión en los puntos 1,2,3 del sistema. dibújese tanto la línea de energía como la línea piezómetrica calculando su magnitud. considere flujo permanente y pérdidas de energía despreciables.

8. Ejercicios.

9. Hidráulica De acuerdo a su significado etimológico, que viene del griego hydros (agua) aulos (conducción) e icos (relativo), quiere decir relativo a la conducción del agua. Se puede definir como la parte de la física que estudia las leyes naturales que gobiernan los fenómenos mecánicos de los líquidos, especialmente el agua.

10. Hidráulica Las finalidades de la hidráulica son dos: Científicas y prácticas. La finalidad científica es la investigación de fenómenos y dispositivos relacionados con la mecánica de fluidos. La finalidad práctica es la planeación, diseño, construcción operación y mantenimiento de obras y estructuras de ingeniería para almacenamiento, conducción, manejo de aprovechamientos fluviales y control de ríos avenidas, así como líquidos industriales según Camargo et al ( Ref 6).

11. La hidráulica también denominada hidráulica elemental o clásica, basa su estudio en un líquido ideal o perfecto cuyas características son: Homogéneo: No tiene impurezas Incomprensible: soporta grandes presiones sin modificar su volumen Continuo: que al tener movimiento su masa no varía Antiviscoso: No ofrece resistencia a la acción de una fuerza. Isotrópico: Posee las mismas propiedades en todas direcciones y sentidos Hidráulica

12. Breve historia de la hidráulica En el año 3750 A.C. en babilonia se presentó la primera manifestación del alcantarillado sanitario. El primer sistema público de abastecimiento de agua de que se tiene noticia es el acueducto de Jerwan en Asiria 691 A.C. Primeras manifestaciones de drenaje 450 A. C. se le atribuyen a Empédocles en Grecia. En 320 A. C. Varios acueductos fueron construidos por los romanos en diferentes partes del mundo. En 250 A. C. en Grecia algunos principios hidrostáticos fueron enunciados por Arquímedes en su tratado sobre cuerpos flotantes.

13. Breve historia de la hidráulica Durante el siglo XVI, en los proyectos de aguas monumentales en Italia, se encontraron diversos problemas que exigieron la atención de varios filósofos. Un Nuevo tratado publicado por Stevin en 1586 y las contribuciones de Galileo, Torricelli y Bernoulli constituyeron las bases para la nueva rama científica . Durante el siglo XVII cinco matemáticos geniales: Clairaut , D’Alembert , Bernoulli, Lagrange y Euler habían elaborado con el naciente calculo diferencial e integral una síntesis hidrodinámica perfecta, pero sin haber obtenido grades resultados prácticos.

14. Diferencias entre canales y Tuberías El canal es una estructura hidráulica que tiene una superficie libre que está en contacto con la atmósfera (Está sometida a la presión atmosférica). La tubería es un ducto cerrado en el cual el líquido está confinado, por lo tanto, hay presión ejercida por el fluido sobre el contorno. Al estar confinado no está sometido a la presión atmosférica de manera directa, sino a la presión hidrostática.

15. Comparación entre flujo en tuberías y flujo en canales abiertos.

16. Ecuación de la Energía La ecuación de la de la energía se obtiene al aplicar al flujo fluido la ley de la conservación de la Energía. La energía que posee un fluido en movimiento está integrada por la energía interna y la energía debida a la presión, a la velocidad y a su posición en el espacio. (Ecuación de Bernoulli).    

17. Energía Total en una Sección de Canal

18. Tipos de flujo Teniendo en cuenta el tiempo como criterio Flujo permanente: Cuando la profundidad del flujo no cambia (constante) durante el intervalo de tiempo en consideración. ; Flujo no permanente: Si la profundidad cambia con el tiempo. ; Para cualquier flujo, el caudal Q en una sección del canal se expresa: E. Continuidad flujo permanente  

19. Tipos de flujo En la mayor parte de los problemas de canales abiertos es necesario estudiar el comportamiento del flujo sólo bajo condiciones permanentes, sin embargo si el cambio en las condiciones del flujo con respecto al tiempo son importantes el flujo debe tratarse como no permanente. (Crecientes y oleadas). El nivel cambia de manera instantánea a medida que la onda pasa. Teniendo en cuenta el espacio como criterio Flujo uniforme: la profundidad del flujo es la misma en cada sección del canal, un flujo uniforme puede ser permanente o no permanente según cambie o no su profundidad con respecto al tiempo. ; Flujo uniforme permanente: Flujo fundamental considerado en la hidráulica de canales abiertos. La profundidad del flujo no cambia durante el intervalo de tiempo bajo consideración. Flujo uniforme no permanente: requeriría que la superficie del agua fluctuara de un tiempo a otro pero permaneciendo paralela al fondo del canal.  

20. Tipos de flujo Flujo variado: si la profundidad del flujo cambia a lo largo del canal, este flujo puede ser permanente o no permanente. Puede clasificarse como rápidamente variado o gradualmente variado. ; Flujo rápidamente variado : si la profundidad del agua cambia de manera abrupta en distancias cortas, de lo contrario será gradualmente variado. En éste tipo de flujo los parámetros varían instantáneamente en una distancia muy pequeña. Ej.: Resalto Hidráulico. Flujo Gradualmente variado : Es aquel en el cual los parámetros hidráulicos, cambian en forma gradual a lo largo del canal. Ej.: Curva de Remanso, producida por la intersección de una presa en el cauce principal.  

21. Clasificación del flujo en canales abiertos

22. C lasificación del flujo en canales abiertos F.G.V Flujo Gradualmente variado F.R.V Flujo Rápidamente variado

23. Estado de Flujo El estado o comportamiento del flujo está gobernado por los efectos de la viscosidad y la gravedad en relación a las fuerzas inerciales del flujo. El efecto de la viscosidad clasifica el flujo en: laminar, turbulentos y transicional. Flujo laminar: si las fuerzas viscosas son muy fuertes en relación con las fuerzas inerciales. Las partículas de agua se mueven en trayectorias suaves definidas o líneas de corriente. Flujo turbulento: si las fuerzas viscosas son débiles en relación con las fuerzas inerciales. Las partículas de agua se mueven en trayectorias. > 2000 Flujo transicional: Estado intermedio entre el flujo laminar y turbulento. 500< < 2000  

24. Número de Reynolds El efecto de la viscosidad en relación con la inercia puede representarse con el número de Reynolds. Donde: = es la velocidad del flujo ( ) = radio hidráulico R. = es la viscosidad cinemática del agua ( ), la viscosidad cinemática es igual a la viscosidad dinámica dividida por la densidad del fluido.  

25. Efecto de la Gravedad El efecto de la gravedad sobre el estado del flujo se representa por la relación entre la fuerzas inerciales y la fuerza gravitacional. Esta relación esta dada por el número de Froude definida como: Donde: = Es la velocidad media del flujo( ) = Aceleración de la gravedad ( ) = Longitud característica ( ), en el flujo de canales abiertos la longitud característica se hace igual a la profundidad hidráulica (D).  

26. Efecto de la Gravedad Profundidad de flujo (D): Donde: = profundidad hidráulica = Area trasversal perpendicular a la dirección flujo = Ancho de la superficie libre  

27. Efecto de la Gravedad Cuando F es igual a 1 Se dice que el flujo está en estado crítico y la ecuación de Froude se convierte en si F es menor a la unidad el flujo es subcrítico El papel de las fuerzas gravitacionales es mas pronunciado, el flujo tiene una velocidad baja y se describe como tranquilo y de corriente lenta. si F es mayor a la unidad el flujo es supercrítico En este estado las fuerzas inerciales se vuelven dominantes; el flujo tiene una alta velocidad y se describe usualmente como rápido ultrarrápido o torrencial.  

28. Tipos del flujo en canales abiertos

29. Regímenes de flujo En un canal abierto el efecto combinado de la viscosidad y la gravedad pueden producir cualquiera de estos cuatro regímenes: Subcrítico laminar: Cuando F es menor que la Unidad y R está en el rango de laminar. Supercrítico-laminar: Cuando F es mayor que la unidad y R está en el rango de laminar. Supercrítico-Turbulento: Cuando F es mayor que la unidad y R está en el rango de turbulento. subcrítico-Turbulento: Cuando F es menor que la unidad y R está en el rango de turbulento.

30. Literatura citada Arteaga Tovar, R. E. (1993).  Hidráulica elemental (No. 532 A79). UACH. Departamento de Irrigación. Arteaga Tovar, R. E., Paz, M. A., & Vazquez , J. F. (2006).  Hidraulica de los sistemas de conduccion . Universidad Autonoma Chapingo, Chapingo ( Mexico ). CHOW, V. (1994).  Hidráulica de canales abiertos (No. TC175. C6818 1994.). CALIFORNIA SPANISH BOOKS. Duarte, C. A., & Niño, J. R. (2004).  Introducción a la mecánica de fluidos . Univ. Nacional de Colombia. Rocha, A. (2007).  Hidráulica de tuberías y canales . Universidad Nacional de Ingeniería. Facultad de Ingeniería Civil.