Clasificación de Flujos
Unidimensional | El vector velocidad (V) tiene la misma dirección y magnitud en todos los puntos. |
Bidimensional | Las líneas de flujo son curvas planas idénticas en una serie de planos paralelos. |
Tridimensional | El campo de velocidades tiene las tres componentes espaciales. |
A Presión | El flujo ocurre bajo presión. |
Por Gravedad | Fluye con una superficie libre, siendo la gravedad la fuerza primaria que lo impulsa. |
Laminar | Se mueve por el deslizamiento ordenado de láminas de espesor infinitesimal sobre láminas adyacentes. |
Turbulento | Movimiento intensamente desordenado, caracterizado por altas velocidades y fluctuaciones en la velocidad. |
Uniforme | La forma y área de la sección transversal se mantienen constantes a lo largo del flujo. |
Variado | Lo opuesto a uniforme; la sección transversal cambia a lo largo del flujo. |
Permanente | La profundidad del flujo no cambia o se supone constante durante el tiempo considerado. |
No Permanente | La profundidad cambia con el tiempo. |
Rotacional | El fluido tiene rotación local. |
Irrotacional | La velocidad angular local es despreciable. |
Métodos de Descripción y Elementos del Flujo
Lagrangiana | Utiliza el seguimiento de sólidos; se centra en la trayectoria de partículas individuales. |
Euleriana | Utiliza el seguimiento de fluidos; se centra en la velocidad en puntos fijos del espacio. |
Línea de Corriente | Línea ideal donde la tangente en cada punto da la dirección del vector velocidad en ese instante. |
Trayectoria de Partícula | Línea que une las posiciones sucesivas ocupadas por una partícula a través del tiempo. Nota: Coinciden con las líneas de corriente solo en flujo permanente. |
Tubo de Flujo | Un patrón cerrado de líneas de corriente. El fluido está confinado por sus paredes, sin flujo transversal. |
Sistema, Volumen de Control y Teorema de Transporte de Reynolds
- Sistema Fluido: Una masa específica de fluido dentro de contornos definidos. La forma y contornos pueden cambiar con el tiempo y el movimiento del fluido.
Volumen de Control (VC): Una zona fija en el espacio que no se mueve ni cambia de forma, elegida a menudo para que el flujo entre y salga. Sus contornos se llaman superficie de control.
- Teorema de Transporte de Reynolds (TTR): Es la relación general entre un sistema y un volumen de control. Establece que la diferencia entre la velocidad de cambio de una propiedad (masa, energía, cantidad de movimiento) dentro del sistema y dentro del volumen de control es igual a la velocidad neta de salida que atraviesa la superficie de control.
Ecuaciones Fundamentales del Flujo
A. Ecuación de Continuidad (Conservación de Masa)
- Aplicación: Se aplica a un volumen de control (como un tubo de flujo).
B. Ecuación de la Energía (Teorema de Bernoulli)
Hipótesis: Se deduce para flujo estacionario, incompresible, no viscoso e irrotacional.
C. Ecuación de Cantidad de Movimiento (Segunda Ley de Newton)
- Principio: Se requiere una fuerza externa neta para cambiar la magnitud o dirección de la velocidad del fluido.
Modelado Físico y Semejanza
- Modelado Físico: Técnica de usar modelos a escala reducida para estudiar el comportamiento hidráulico de sistemas reales (prototipos).
- Semejanza: Relación que debe existir entre el prototipo y el modelo para que las observaciones y mediciones en el modelo sean aplicables y extrapolables al prototipo.
Semejanza Geométrica | Todas las dimensiones lineales en el modelo y el prototipo deben ser proporcionales (misma razón de escala). |
Semejanza Cinemática | Las relaciones de velocidades y aceleraciones en puntos homólogos deben ser iguales en el modelo y el prototipo. |
Semejanza Dinámica | Las relaciones de todas las fuerzas del fluido homólogas deben ser iguales en el modelo y el prototipo. |
Números Adimensionales (Criterios de Semejanza Dinámica)
La semejanza dinámica requiere que la relación entre las fuerzas relevantes sea idéntica en el modelo y el prototipo.
- Número de Reynolds (Re): Representa la relación entre las Fuerzas de Inercia y las Fuerzas Viscosas.
- Criterio de Aplicación: Se usa en problemas donde la viscosidad es la fuerza dominante (flujo en tuberías, flujo laminar, pérdidas por fricción).
- Número de Froude (Fr): Representa la relación entre las Fuerzas de Inercia y las Fuerzas Gravitacionales.
- Criterio de Aplicación: Se usa en problemas donde la gravedad es la fuerza dominante (ej. flujo en canales abiertos, olas, resalto hidráulico, vertederos).
- Número de Weber (We): Representa la relación entre las Fuerzas de Inercia y las Fuerzas de Tensión Superficial.
- Criterio de Aplicación: Relevante en casos de interfaz líquido-gas o líquido-líquido (ej. chorros pequeños, gotas).
- Número de Mach (Ma): Representa la relación entre las Fuerzas de Inercia y las Fuerzas Elásticas (o de compresibilidad).
- Criterio de Aplicación: Se usa en flujo de fluidos compresibles (gases) donde la velocidad es comparable a la velocidad del sonido.
Estructuras de Control Hidráulico
I. Definiciones Básicas
- Orificio (O): Es una abertura regular, generalmente de forma geométrica conocida, practicada en la pared o fondo de un recipiente.
- Compuerta (C): Es una abertura, o elemento de control móvil, que permite el paso de agua bajo presión o por gravedad.
- Vertedero (V): Es una estructura que permite la circulación de agua sobre su borde, típicamente usada en canales abiertos.
II. Gasto a Través de Orificios (Conceptos y Coeficientes)
- Chorro de Fluido: Es la vena de fluido que sale a través del orificio.
- Vena Contracta: Es el área mínima del chorro, que ocurre a una corta distancia aguas abajo del orificio.
- Coeficiente de Velocidad (Cv): Es la razón de la velocidad real a la velocidad teórica.
- Coeficiente de Contracción (Cc): Es la razón del área de la vena contracta al área del orificio.
- Coeficiente de Gasto o Descarga (Cd): Es la razón del gasto real al gasto teórico. Se cumple que Cd = Cv * Cc.
III. Velocidad y Gasto Teórico
- Velocidad Teórica (V): Es la velocidad que tendría el fluido si no existieran pérdidas por fricción ni por contracción del chorro (calculada generalmente por Bernoulli).
IV. Orificio de Pared Gruesa
- Orificio de Pared Gruesa: Se presenta cuando el espesor de la pared es mayor que el diámetro del orificio.
- Comportamiento: Si la longitud del orificio es mayor que 3d a 4d, el orificio actúa como un tubo corto.
- Flujo Sumergido: Ocurre cuando el orificio está sumergido y la superficie del agua abajo del orificio está por encima del nivel del orificio mismo.
V. Gasto a Través de Compuertas
- Compuerta: Una estructura móvil utilizada para controlar el flujo de agua en canales o depósitos.
VI. Válvulas
- Válvula: Componente hidráulico utilizado para controlar la presión y el caudal de un fluido en un conducto o tubería.
Vertederos y Aliviaderos
- Vertedero: Estructura hidráulica por la que se efectúa la descarga o el paso de un líquido por encima de un muro o una placa, quedando la superficie libre expuesta.
- Usos:
- Como dispositivos de aforo (medición de caudal).
- Como obras de control o de excedencias (aliviaderos en presas).
Tipos de Vertederos por Espesor de Pared
- Vertederos de Pared Delgada: La descarga se realiza sobre una placa donde la lámina vertiente solo toca una línea de la cresta del vertedero.
- Vertederos de Pared Gruesa: El contacto entre la pared y la lámina vertiente se realiza sobre toda una superficie.
Elementos Clave del Vertedero
- Cresta (w): Es el borde o parte superior del vertedero sobre la cual fluye el agua.
- Carga (h): Es la altura del agua sobre la cresta del vertedero, medida en la sección de aproximación.
- Carga Total (H): Es la suma de la carga estática (h) y la carga de velocidad en la sección de aproximación.
- Lámina Vertiente (Napa o Manto): Es la capa de líquido que cae por encima de la cresta.
- Contracción Lateral: Ocurre cuando el ancho de la cresta (L) es menor que el ancho del canal (B). Las líneas de corriente se contraen lateralmente.
IV. Tipos Comunes de Vertederos de Pared Delgada
La diferencia en estos vertederos radica en la forma geométrica de la abertura, lo que afecta la longitud de la cresta (L):
- Vertedero Rectangular: La cresta es una línea horizontal recta.
Puede ser con contracciones laterales o sin contracciones laterales (cuando L=B).
- Vertedero Triangular (o en V): La cresta tiene forma de triángulo o «V». Es ideal para medir caudales pequeños.
- Vertedero Trapezoidal (Cipolletti): Combina el rectángulo con dos triángulos a los lados. La pendiente lateral es 1:4 (1 horizontal por 4 vertical), lo que compensa el efecto de la contracción lateral con el caudal adicional de los triángulos.
V. Vertederos de Pared Gruesa Específicos
- Cimacio (Aliviadero de Perfil Creager): Es un vertedero de pared gruesa cuyo perfil está diseñado para coincidir con la forma del perfil inferior de la lámina vertiente (napa) de un vertedero rectangular de pared delgada hipotético, sin contracciones laterales, para una carga de diseño específica.
- Función: Se utiliza comúnmente como aliviadero de presas para maximizar la descarga y minimizar la cavitación.
