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4.2 Salto Hidráulico

Dr. Julio Kuroiwa Zevallos

Docente Asociado. Instructor Asociado.

Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Civil Centro de Educación Continua

Salto Hidráulico

Cuando en un canal se produce un cambio de régimen de supercrítico (Fr > 1) a subcrítico (Fr <1), se produce un salto hidráulico cuyas características dependen básicamente del número de Froude (Fr1 = número de Froude aguas arriba). Este es un mecanismo efectivo para disipar la energía del flujo y disminuir el potencial de erosión aguas abajo.

Salto hidráulico en canal horizontal. Fuente: Streeter y Wylie. Mecánica de Fluidos. Centro de Educación Continua. Facultad de Ingeniería Civil. UNI. Curso: Hidráulica de Canales Abiertos. Dr. Julio Kuroiwa Z.

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Ecuación de Continuidad (Ec. 1) En la Figura 1 se tiene un canal rectangular cuyo

ancho es b. Se aplican los siguientes principios:

Continuidad

2211 VbyVby

Por lo tanto:

2211 VyVy

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3

Conservación de Momentum. Ec2

bVyVbVyVbyby

111222

2

2

2

1

22

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Conservación de la Energía. Ec3

Eyg

Vy

g

V 2

2

21

2

1

22

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De la Ec. 1 y Ec. 2, se obtiene:

g

yVyyy 1

2

1

2

112

2

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Y1 e Y2 se denominan tirantes conjugados. Y1 es el tirante aguas arriba del salto. V1 es la velocidad aguas arriba del salto.

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Pérdida de Energía

21

3

12

4 yy

yyE

Reemplazando en Ecuación 3, se obtiene:

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Experimentación

Efecto del número de Froude en la forma del salto.

Fuente: US Bureau of Reclamation

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Efecto del número de Froude en la Longitud del Salto

L2 es función del Número de Froude antes del salto, Fr1.

En general:

L = 6 y2

Fuente: US Bureau of Reclamation, 1984 9

Salto hidráulico al final de canal de fuerte pendiente

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Velocidad y tirante al pie de una presa / rápida.

¿Cuál es el tirante y la velocidad en y1?

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Velocidad teórica

VT es la velocidad teórica al pie de la presa, en función de Z y H.

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HZgVT

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Velocidad Real

Ta VKV

K es función de Z y de H (ver figura siguiente) K es un coeficiente menor que 1.

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Factor K

Fuente: US Bureau of Reclamation, 1984 14

Procedimiento de cálculo de V1 e y1

Se calcula V1 = Va = K VT.

Luego se calcula y1 = Q/(b V1).

El número de Froude es:

Fr = V1/ (g y1)0.5

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Pozas de Disipación

Son estructuras diseñadas para inducir la disipación de energía mediante el salto hidráulico.

Para su diseño se trata de reducir la longitud de la poza.

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Poza Tipo II

La poza tipo II consiste de una superficie horizontal en la que se colocan “dados” triangulares agua arriba sobre el pie de la rápida y un murete dentado para favorecer la disipación de energía.

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Figura – Poza Tipo II

Fuente: US Bureau of Reclamation, 1984

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Cálculo de dimensiones – Poza Tipo II

Se calculan y1 (D1 en la figura) e y2 (D2 en la Figura), y en base a dichos valores se calculan las dimensiones de la poza.

Ancho de los dados ubicados al final de la rápida, w1 = y1 ( o D1). Espaciamiento de los dados, s1 = y1 (o D1).

Ancho de los dientes del murete: w2 = 0.15 y2 ( ó 0.15 D2). Espaciamiento de los dientes del murete, s2 = 0.15 y2 ( ó 0.15 D2). Altura del murete = 0.2 y2 (o D2, en la Figura 6)

La longitud, LII, se halla con la ayuda de la Figura 7.

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Cálculo de longitudes de pozas tipo II y tipo III

Fuente: US Bureau of Reclamation, 1984

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Poza Tipo III

La poza tipo III tiene además de los dados al pie de la rápida, un murete no dentado al final de la poza y una fila de dados en una sección intermedia ubicados a 0.8 y2 del pie de la rápida, como se ve en la Figura 8.

La longitud de la poza, L (o LII en la figura), es menor a la longitud de la poza tipo II y se le considera por tanto más económica y deseable para el diseño de obras hidráulicas.

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Poza Tipo III Fuente: US Bureau of Reclamation, 1984

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Poza Tipo III (Continuación)

El ancho de los dados ubicados al pie de la rápida, su espaciamiento y altura son iguales a y1.

La altura de los dados centrales es igual a h3, que se calcula usando la Figura 9 y es función de Fr1. Tanto el ancho como el espaciamiento son iguales a 0.75 h3. El espesor de la corona es igual a 0.2 h3.

La altura del murete al final de la poza es igual a h4 y es función de Fr1(se calcula usando la Figura 9).

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Diseño de muretes en poza Tipo III

Fuente: US Bureau of Reclamation, 1984 24

Perfil aproximado del salto

Fuente: US Bureau of Reclamation, 1984 25