Módulo de geometría

La superficie libre: Se considera como la intercara entre dos fluidos, en el caso de la hidráulica corresponde a la interacción entre el aire y el agua.

Tirante (y): Es la distancia perpendicular a la plantilla medida, desde la superficie libre del agua al fondo.

Ancho superficie libre ( T): Es el ancho del canal medido sobre la superficie libre del canal.

Área hidráulica ( A): Es el área transversal ocupada por el flujo de un canal.

Perímetro mojado (P): Es la longitud del contorno del área hidráulica, en contacto con el agua y las paredes del canal.

Radio hidráulico (Rh): Es un coeficiente de forma, siendo  la relación del área hidráulica entre el perímetro mojado.

Talud (k): En secciones trapeciales, hace referencia a la inclinación de las paredes de la sección, siendo la medida del desplazamiento horizontal, por unidad de desplazamiento vertical.

Secciones geométricas comunes:

• Trapecial, Triangular y rectangular: normalmente revestidos

• Triangular: Uso común en cunetas.

• Circular y herradura: frecuentemente usados en túneles.

• Parabólica: Semejanza con cauces naturales.

Ecuaciones de las secciones geométricas comúnmente usadas en canales.

Módulo de flujo normal

El flujo uniforme es un criterio para el diseño de la sección hidráulica de un canal. Dicha sección está asociada a un tirante, llamado tirante normal. Esta es una cuestión hipotética donde la superficie libre del agua es paralela a la línea de energía y la pendiente del canal.

El flujo uniforme se presenta cuando el escurrimiento conserva su sección hidráulica a lo largo del canal, en consecuencia todos los elementos tales como área hidráulica, velocidad, y pendiente, se mantienen constantes.

·         La velocidad y con ella el tirante y área hidráulica permanecen constantes.

·         La línea de energía, la superficie libre y la plantilla del canal son paralelas.

·         Estado permanente y canales prismáticos de gran longitud.

·         Puede ser laminar o turbulento, pero laminar es poco común en la práctica.

·         Es necesario que se establezca un equilibrio dinámico entre la componente de la fuerza de peso en la dirección del flujo y la fricción.

Módulo de flujo crítico

Tirante crítico: se presenta cuando en un canal se conduce un gasto con energía específica mínima. Debido a esta propiedad se suele utilizar para secciones de control. Y es límite entre el régimen subcrítico (velocidades lentas y tirantes grandes) y el régimen supercrítico (velocidades rápidas y tirantes pequeños).  Además el número de Froude es igual a uno, lo que representa un equilibrio de la fuerza de inercia respecto a la de la gravedad.

Pendiente crítica: valor de la pendiente de un canal que conduce un gasto  con régimen  uniforme y con energía específica mínima, es decir,  el agua circula con el tirante crítico.

Módulo de energía específica 

La energía específica es la suma de la carga de presión (energía potencial)  y la carga de velocidad (energía cinética). Al evaluar diferentes tirantes, para una misma sección, se obtendrá una curva entre energía y tirante, donde se puede observar que para una misma energía se tendrán 2 tirantes, llamados tirantes alternos, y estos son uno para régimen supercrítico (rápido) y el otro para régimen subcrítico (lento), exceptuando un sólo punto el cual corresponde a la energía específica mínima y a este tirante único se le denomina tirante crítico, y por consiguiente existe un sólo gasto que puede satisfacer esta condición.

El cambio de régimen de lento a rápido ocurre en forma gradual, sin involucrar grandes pérdidas de energía específica (flujo sobre un cimacio), en tanto que el cambio de régimen rápido a lento sucede por lo general en forma abrupta y con grandes pérdidas de energía específica (salto hidráulico).

Tirantes alternos: El gasto  puede trasportarse con dos tirantes diferentes. Estos tirantes se denominan tirantes alternos. Al determinar los tirantes alternos se obtienen tres raíces reales, de las cuales dos son positivas y una negativa. Debido a que los tirantes negativos no tienen significado físico, este valor se descarta inmediatamente.

Esto permite analizar fácilmente ampliaciones y estrechamientos con un sólo diagrama. Así, en el diagrama ( E, y) se deberá dibujar una curva q=cte para cada ancho diferente que se desee estudiar.

Módulo de salto hidráulico

Salto hidráulico: Es un fenómeno local que consiste en un cambio en la forma de escurrimiento, y en la energía, pues el tirante cambia bruscamente de un conjugado menor (régimen supercrítico), a un mayor (régimen subcrítico), provocando una gran pérdida de energía.  Esto sucede debido a que antes del salto hidráulico predomina la energía cinética, parte del cual se trasforma en energía potencial que es la que predomina después del salto.

Módulo de flujo gradualmente variado

Flujo gradualmente variado (FGV): Un flujo gradualmente variado puede ocurrir en cualquier canal, ya sea prismático o no, pero tenderá a un flujo uniforme, cuando sean tramos prismáticos, y gasto constante.

Deducción de la ecuación dinámica, (Sotelo, 2009).

El flujo gradualmente variado, considera pequeños cambios de tirante en el sentido  del movimiento, comparados con las distancias en las que se producen.

Consideraciones:

• Fondo plano, pendiente uniforme, líneas de corriente prácticamente paralelas.

• En una sección la distribución de la velocidad es fija.

• La fricción es la pérdida de energía más importante.

• No se considera el arrastre de aire al interior del flujo.

Características y clasificación de los perfiles de flujo

En cualquier condición de flujo de un canal, el perfil que adopta la superficie libre del agua se conoce como perfil de flujo o perfil hidráulico. La ecuación diferencial tiene solución explicita ya que  y  son funciones de . Para resolver este problema es necesario tomar en cuenta los signos del numerador y denominador, con el fin de conocer el decremento o incremento de  en la dirección del flujo.

• Pendiente subcrítica , perfil M

• Pendiente crítica , perfil C

• Pendiente supercrítica, perfil S

• Pendiente horizontal, perfil H

• Pendiente negativa, perfil A

No importando la pendiente, la sección o el gasto, las líneas que delimitan la altura de los tirantes normal y crítico respecto a la plantilla, dividen el espacio en el que se puede desarrollar el perfil en tres zonas llamadas:

• Zona 1. El espacio arriba de la línea superior

•  Zona 2. El espacio entre las dos líneas

• Zona 3. El espacio debajo de la línea inferior

En algunos casos, ciertas zonas pueden desaparecer, por ejemplo, cuando la pendiente, la zona 2 desaparece.

• El perfil de la superficie se aleja de la plantilla 

• El perfil de la superficie es paralelo a la plantilla 

• El perfil de la superficie se acerca de la plantilla 

Por lo que significa que existen 12 formas diferentes para calcular el perfil de flujo 

Módulo de flujo espacialmente variado

En el flujo espacialmente variado (FEV)  el caudal no es uniforme, debido a la extracción o aportación de agua al canal. Cuando se extrae o se agrega caudal, se provocan perturbaciones de momentum y de cantidad de energía.  El comportamiento hidráulico es diferente con gasto creciente o decreciente por lo que se analiza de forma independiente.

Flujo con gasto creciente

En este caso el caudal se agrega al flujo que ya existe en el canal, el cual produce una gran pérdida de energía por las fuertes corrientes transversales haciendo una mezcla turbulenta.

Algunos ejemplos de estos canales son, canal lateral, en carreteras cunetas y bordillos, y canales en tierras agrícolas.

Consideraciones de la ecuación:

·         Flujo unidireccional

·         Distribución de velocidades es constante a través de la sección de un canal

·         Presión hidrostática

·         La pendiente es relativamente pequeña

·         Se utiliza la ecuación de Manning para evaluar las pérdidas por fricción

Módulo de estructuras de control

Una estructura de control sirve como un dispositivo de aforo o para controlar los niveles, como pueden ser vertedores cresta delgada y ancha, compuertas, orificios, obstáculos, caídas, aforadores Parshall.

En este caso se analizarán vertedores de cresta delgada, orificios y compuertas.