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RESALTO HIDRÁULICO
MARCO TEORICO
En 1818, el italiano Bidone realizo las primeras investigaciones experimentales del resalto hidráulico. Esto llevó a Bélanger en 1928 a diferenciar entre las pendientes suaves (subcríticas) y las empinadas (supercríticas), debido a que observo que en canales empinados a menudo se producían resaltos hidráulicos generados por barreras en el flujo uniforme original.

En un principio, la teoría del resalto desarrollada corresponde a canales horizontales o ligeramente inclinados en los que el peso del agua dentro del resalto tiene muy poco efecto sobre su comportamiento y, por consiguiente, no se considera en el análisis. Sin embargo los resultados obtenidos de este modo pueden aplicarse a la mayor parte de los canales encontrados en problemas de ingeniería. Para  canales con pendiente alta el efecto del peso del agua dentro del resalto puede ser tan significativo que debe incluirse en el análisis.

GENERALIDADES

Introducción

Los saltos hidráulicos ocurren cuando hay un conflicto entre los controles que se encuentran aguas arriba y aguas abajo, los cuales influyen en la misma extensión del canal. Este puede producirse en cualquier canal, pero en la practica los resaltos se obligan a formarse en canales de fondo horizontal, ya que el estudio de un resalto en un canal con pendiente es un problema complejo y difícil de analizar teóricamente.

El salto hidráulico puede tener lugar ya sea, sobre la superficie libre de un flujo homogéneo o en una interfase de densidad de un flujo estratificado y en cualquiera de estos casos el salto hidráulico va acompañado por una turbulencia importante y una disipación de energía.

Cuando en un canal con flujo supercrítico se coloca un obstáculo que obligue a disminuir la velocidad del agua hasta un valor inferior a la velocidad crítica se genera una onda estacionaria de altura infinita a la que se denomina resalto hidráulico, la velocidad del agua se reduce de un valor V1 > C a V2 < C, la profundidad del flujo aumenta de un valor bajo Y1 denominado inicial a un valor Y2 alto denominado secuente.

Resalto en canales rectangulares

Para un flujo supercrítico en un canal rectangular horizontal, la energía del flujo se disipa a través de la resistencia friccional a lo largo del canal, dando como resultado un descenso en la velocidad y un incremento en la profundidad en la dirección del flujo. Un resalto hidráulico se formara en el canal si el numero de Froude (F1) del flujo, la profundidad del flujo (Y1)y la profundidad (Y2) aguas abajo satisfacen la ecuación:

                         Y2/Y1 = 1/2 [(1 + 8 F12)1/2  - 1]

Resalto en canales inclinados

En el análisis de resaltos hidráulicos en canales pendientes o con pendientes apreciables, es esencial considerar el peso del agua dentro del resalto, por esta razón no pueden emplearse las ecuaciones de momentum, ya que en canales horizontales el efecto de este peso es insignificante. Sin embargo puede emplearse una expresión análoga a la ecuación utilizando el principio de momentum que contendrá una función empírica que debe determinarse experimentalmente.

Clasificación

Los resaltos hidráulicos en fondos horizontales se clasifican en varias clases y en general esta clasificación se da, de acuerdo con el numero de Froude (F1) del flujo entrante. Para F1=1 el flujo es critico y por consiguiente no se firma resalto, para 1.0<F1<1.7 la superficie del agua muestra ondulaciones y se presenta el resalto ondulante, para 1.7<F1<2.5 se desarrolla una serie de remolinos sobre la superficie del agua  pero aguas abajo permanece uniforme y la velocidad de la sección es razonablemente uniforme y la perdida de energía es baja presentándose entonces el resalto débil, para 2.5<F1<4.5 existe un chorro oscilante que entra desde el fondo del resalto hasta la superficie y se devuelve sin ninguna periodicidad  y cada oscilación produce una onda grande con periodo irregular produciéndose entonces el resalto oscilante, para 4.5<F1<9.0 la extremidad de aguas abajo del remolino superficial y el punto sobre el cual el chorro de alta velocidad tiende a dejar ocurren prácticamente en la misma sección vertical la acción y posición de este resalto son menos sensibles a la variación en la profundidad de aguas abajo, el resalto es bien balanceado y su comportamiento es el mejor presentándose de esta manera el resalto estable, para F1>9.0 el chorro de alta velocidad choca con paquetes de agua intermitentes que corren hacia abajo a lo largo de la cara frontal del resalto generando ondas hacia aguas abajo y puede prevalecer una superficie rugosa, la acción del resalto es brusca pero efectiva produciéndose entonces el resalto fuerte.

Control

El resalto hidráulico puede controlarse o afectarse por medio de obstáculos de diferentes diseños como vertederos de cresta delgada, de cresta ancha y subidas y descensos abruptos en el fondo del canal. La función del obstáculo es asegurar la formación del resalto y controlar su posición en todas las condiciones probables de operación.

Varios experimentos han demostrado que las fuerzas que actúan sobre un obstáculo en un resalto disminuyen rápidamente hasta un mínimo a medida que el extremo de aguas abajo del resalto se mueve hacia aguas arriba hasta una posición encima del obstáculo. De ahí en adelante la fuerza se incrementa con lentitud hasta un valor constante  a medida que el resalto se aleja mas hacia aguas arriba. En teoría, el control del resalto hidráulico mediante obstáculos puede analizarse utilizando la teoría del momentum. Debido a la falta de conocimiento preciso sobre la distribución de velocidades, el análisis teórico no puede predecir el resultado cuantitativo con exactitud.  

El control de resaltos mediante obstáculos es útil si la profundidad de aguas abajo es menor que la profundidad secuente para un resalto normal, pero si la primera es mayor que la segunda debe utilizarse  una caída en el piso del canal para asegurar un resalto. Por lo general esta condición ocurre a la salida de una expansión con flujo supercrítico.

APLICACIONES

En el campo del flujo en canales abiertos el salto hidráulico suele tener muchas aplicaciones entre las que están:

· La disipación de energía en flujos sobre diques, vertederos, presas y otras estructuras hidráulicas y prevenir de esta manera la socavación aguas debajo de las estructuras.

· El mantenimiento de altos niveles de aguas en canales que se utilizan para propósitos de distribución de agua.

· Incrementos del gasto descargado por una compuerta deslizante al rechazar el retroceso del agua contra la compuerta, esto aumenta la carga efectiva y con ella la descarga.

· La reducción de la elevada presión bajo las estructuras mediante la elevación del tirante del agua sobre la guarnición de defensa de la estructura.

· La mezcla de sustancias químicas usadas para la purificación o tratamiento de agua.

· La aireación de flujos y el desclorinado en el tratamiento de agua.

· La remoción de bolsas de aire con flujo de canales abiertos en canales circulares. 

· La identificación de condiciones especiales de flujo con el fin de medir la razón efectividad-costo del flujo.

· Recuperar altura o aumentar el nivel del agua en el lado de aguas debajo de una canaleta de medición y mantener un nivel alto del agua en el canal de irrigación o de cualquier estructura para distribución de aguas.

CARACTERÍSTICAS

Algunas de las características del resalto hidráulico en canales rectangulares horizontales son:

· Perdida de energía: en el resalto la perdida de la energía es igual a la diferencia de las energías especificas antes y después del resalto. Puede demostrarse que la perdida es

                       DE = E1 – E2 = (Y2 – Y1)3 /(4 Y1Y2)

DE/ E1: perdida relativa.

· Eficiencia: la relación entre la energía especifica antes y después del resalto se define como la eficiencia del resalto. Puede demostrarse que la eficiencia es

                       E1/E2   = ((8 F12 + 1)3/2 – 4F12 + 1)/(8 F12 (2 + F12))

F: numero de Froude.

· Altura del resalto: la diferencia entre las profundidades antes y después del resalto es la altura del resalto (hj =Y2 – Y1)Al expresar cada termino como la relación con respecto a la energía especifica inicial

                       hj/E1 = Y2/E1 – Y1/E1

Hj/ E1: altura relativa.

Y1/ E1: profundidad inicial relativa.

Y2/ E1: profundidad secuente relativa.

Juana Pérez

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