Hidraulica de canales S3 s2

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HIDRAULICA DE CANALES
ENERGIA ESPECIFICA
Mg. Giovene Pérez Campomanes
Logro específico de aprendizaje:
Al terminar la unidad el estudiante tendrá la capacidad de analizar los
flujos en los canales mediante los conceptos y ecuaciones de la energía
específica, cambio de cantidad de movimiento, determinando el estado
del flujo ya sea rio, crítico o torrente, para luego pasar a su diseño.
3
ESQUEMA GENERAL 
INVESTIGACIONES 
La energía específica ha demostrado ser muy útil en el análisis del flujo de
canales abiertos y el concepto se discute en cada libro de canales abiertos.
La utilizando software gráfico, este documento mostró la función de energía
específica como una superficie en tres dimensiones para secciones
transversales rectangulares.
Este estudio es particularmente significativo al expresar la profundidad
alternativa y la profundidad crítica del agua de una manera eficaz que solo
unos pocos investigadores han intentado expresar antes(Seung Oh Lee, 2019)
https://www.researchgate.net/profile/Seung_Oh_Lee
La relación específica energía-profundidad en canales abiertos con
secciones transversales parabólicas se invierte analíticamente.
Se consideran dos expresiones adimensionales de la energía específica,
dependiendo de la cantidad prescrita (energía específica o profundidad
alterna).
Finalmente, se presentan diferentes ejemplos, para mostrar la eficiencia de las
soluciones propuestas(Hongxiang Jiang, 2018).
Este artículo presenta un experimento de laboratorio para la formación de un
salto hidráulico en un canal de canal abierto rectangular para explorar con
precisión el efecto de las estructuras de flujo en los recursos hídricos.
Este experimento ilustra el comportamiento del flujo supercrítico debajo de
la compuerta para varios caudales y profundidades aguas abajo.
El modelo se examina para explorar la sensibilidad del número de Froude
ajustando el caudalímetro y el vertedero de sobreimpresión en el canal. Se
puede obtener así el tipo de salto atribuido a la velocidad del flujo.
Además, tanto la ubicación del salto hidráulico como la energía disipada se
analizan bajo la influencia de diferentes aberturas de compuertas.(Mostafa M El-Seddik1,
2017).
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S209044791200086X#!
Las ecuaciones de energía específica, caudal y número de Froude se
utilizan para desarrollar un modelo matemático.
Los datos experimentales se utilizan para evaluar el canal móvil como
dispositivo para medir la descarga. Se presenta una nueva ecuación para el
coeficiente de descarga.
Esta ecuación se puede utilizar para determinar el caudal conociendo la
relación de contracción y la energía específica medida(M.H.RashwanM.I.Idress1, 2012).
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S209044791200086X#!
Introducción:
La Energía Específica es importante, pues no solamente permiten
definir el llamado “tirante crítico” ( F=1), y con ello la posibilidad de
identificar flujos de naturaleza subcrítica (F< 1 ), supercrítica(F>1),
los conceptos revisados en esta sección permiten dar respuesta a
diversos casos prácticos que, de otro modo, difícilmente podrían ser
resueltos, como son los asociados a la presencia de una grada; el
angostamiento o ensanchamiento de una sección y el caso de
canal alimentado por un reservorio.
La Rápida del Ingeniero- ¨PE Chinecas- Chimbote”
Definición:
La energía por unidad de peso en una sección de un canal, con
respecto a un nivel de referencia arbitrario es:
Para pendientes pequeñas, cos  1
g2
V
yzH
2
++=
g2
V
cosyzH
2
++=
La energía específica(E), es la altura total de energía medida
con respecto al punto más bajo de la sección del canal.
De esta manera:
ó
El concepto de energía específica resulta sumamente
importante en el diseño de canales.
g2
V
yE
2
+= 2
2
gA2
Q
yE

+=
• Energía especifica para caudal constante(Q cte):
Es posible graficar la relación E vs y. Para ello, basta con observar
que en la expresión de la energía específica, el área es una función
del tirante y el caudal tiene un valor fijo.
De esta forma, resulta la llamada curva de energía específica, en
la cual, para cualquier valor de E>Emin .
Se tiene dos tirantes alternos, correspondientes a regímenes de
flujo diferentes:
y1>ycr --> régimen subcrítico (Fr<1)
y2<ycr --> régimen supercrítico (Fr>1)
En la curva de energía especifica, para E= Emin hay solo una
solución para el tirante (y=ycr), la cual cumple con la siguiente
relación:
Es decir , F=1; lo cual significa que ycr corresponde a la condición
critica de flujo, por lo que recibe el nombre de "tirante critico"
Para la determinación práctica del tirante crítico en un canal de
sección cualquiera, se grafica la curva A3/B vs y; donde A y B
dependen ambos de “y”.
De la relación señalada anteriormente, el tirante crítico (ycr) será
aquel valor de “y” para el cual A3/B es igual a Q2/g.
Propagacion de la onda superficial: Si la superficie libre de un
canal produce una onda superficial esta adquiere una
celeridad c, la velocidad con respecto a la corriente que
aproximadamente es igual a c=
𝑐: 𝑔𝑦
• Resulta evidente que la condición para que una onda puede
remontar la corriente es de su celeridad, sea mayor que la
velocidad de la corriente.
• Los torrentes se caracterizan por que una onda superficial no puede
remontar la corriente.
• En cambio en los ríos si es posible que una onda superficial remonte
la corriente.
•Para un régimen critico la velocidad de la corriente es igual a la
celeridad de la onda y esta permanece estacionaria(c=V).
• La curva E – y (energía especifica – tirante), a gasto constante), tiene 2
ramas: Una superior que corresponde al régimen de rio y otro inferior que
corresponde a los torrentes.
• En un torrente, dE/dy es negativo y en un rio es positivo.
• La curva E – y tiene 2 asíntotas que son E=y; y=0.
Propiedades de la energía especifica
• La curva E-y tiene un mínimo que corresponde al mínimo
contenido de energía dE/dy. (condiciones criticas).
• Para cualquier contenido de energía superior a la mínima
existen dos puntos sobre la curva, uno corresponde a un rio
y el otro a un torrente. Los tirantes respectivos que se
caracterizan por tener la misma energía especifica, se
denominan alternos.
Caso del canal rectangular:
Para el caso de canal rectangular y considerando el coeficiente de
Coriolis aproximadamente igual a la unidad (=1), es posible
determinar que:
Donde “q” es el caudal por metro de ancho o caudal específico
(caudal unitario).
3
2
cr
g
q
y =
Asimismo, es posible comprobar que
con lo cual la energía específica mínima se expresa como:
o equivalentemente:
crmin y
2
3
E =
crcr gyV =
mincr E
3
2
y =
La última ecuación expresa que, en el caso particular de un canal
rectangular, el tirante de agua para la condición crítica de flujo es
igual a las 2/3 partes de la energía específica mínima.
Aplicaciones de la curva de energía especifica:
• Presencia de gradas.
• Modificación del ancho de un canal.
Caso de
angostamiento
del canal
Caso de 
angostamiento 
del canal
Caso de
angostamiento
del canal
• Variación del caudal para energía especifica constante:
Así como se obtiene la curva de energía específica para el caso
de caudal constante, es posible determinar una relación Q vs y
para el caso de energía específica dada (E=cte). Tal relación
presentada gráficamente se conoce como la “curva de
descarga del canal”.
De la ecuación:
Se despeja para el caso de E=cte la siguiente ecuación:
Con lo cual es posible graficar Q vs y, pues E es constante y el
área A depende del tirante y.
2
22
gA2
Q
y
g2
V
yE

+=

+=
)yE(
g2
AQ −

=
En la gráfica Q vs y es posible distinguir dos regiones asociadas a
regímenes de flujo diferentes (subcrítico y supercrítico); además, es
posible verificar que la máxima descarga, Qmax, se presenta para la
condición crítica de flujo (y=ycr).
La curva de descarga Q vs y tiene particularimportancia en la
determinación de la capacidad de descarga de un canal
alimentado por un reservorio.
En este caso particular, se observa que, cuando la pendiente del
canal es menor o igual que la pendiente crítica, la descarga
queda controlada por Manning y por la energía específica
disponible.
Mientras que, cuando la pendiente del canal es mayor que la
pendiente crítica, la descarga en el canal queda controlada
únicamente por la energía disponible en la entrada (carga en la
entrada). En este caso el caudal será el Qmax asociado a la
generación de tirante crítico en la entrada.
Puede mostrarse que la pendiente crítica de un canal
rectangular de ancho “b”, puede determinarse con la relación
siguiente:
( )
3/4
3/12
9/29/102
cr
b
g/q2b
qgnS







 +
= −
•La energía especifica es mínima para la descarga dada.
•La descarga es máxima para la energía especifica mínima.
•La fuerza especifica es mínimo para una descarga dada.
•La altura de velocidad es igual a la mitad de la profundidad
hidráulica en un canal de pendiente pequeña.
Aplicaciones del flujo critico:
•El numero de froude es igual a la unidad.
•La velocidad de flujo en un canal de pendiente pequeña con
distribución uniforme de velocidad es igual a la celeridad de
pequeñas ondas de gravedad en aguas bajas ocasionadas por
disturbios locales.
Aplicaciones del flujo critico:
Ejercicio 01
Hallar la relación entre el tirante crítico y la energía especifica mínima en
un canal de sección parabólica.
Ejercicio 02
En un canal rectangular se tiene un tirante critico de 0.72 m. Averiguar cuál
será la energía específica, que producirán dos tirantes alternos, que
tengan por número de Froude 0.5 y 2, respectivamente
Ejercicio 03
Demostrar que en un canal rectangular se cumple entre los tirantes 
alternos y1, y y2, y el tirante critico yc la siguiente relación: 
yc
3 =(2y1
2y2
2 )/(y1+y2)
INSTRUMENTO DE EVALUACIÓN
CRITERIO DESCRIPCIÓN NL EP L COMENTARIO PTJE
Trabajo colaborativo Colaboran entre 4 o 5 estudiantes para el diseño y 
elaboración de la propuesta de sesión de clase.
0 2 4
Gestión de la información Presenta información relevante de manera clara y 
precisa.
0 3 6
Redacción
Redacta la información de manera legible y cuidando las 
reglas ortográficas.
0 2 4
Material de apoyo
Presenta material o recurso adicional de manera 
creativa.
0 2 4
Puntualidad La entrega del trabajo cumple con los plazos establecidos
0 1 2
•Al finalizar la sesión de aprendizaje los estudiantes cuentan con la capacidad para evaluar el flujo critico en la energía especifica, en
canales, las mismas que son importantes el diseño de canales, a traves de ejercicios prácticos, demostrando, orden, información precisa ,
redacción legible y puntualidad.
CONCLUSIONES FINALES:
Conclusiones:
Tomar el conocimiento del concepto de energía especifica,
aplicado al diseño de canales trapezoidales, y
rectangulares en un flujo internos y externos.
Aprender de la ejecución y desarrollo de ejercicios.
BIBLIOGRAFIA
N° Referencias Bibliográficas
Naudascher, E. (2013). Hidráulica de canales: diseño de estructuras. (1° ed.). México: 
Limusa. 
Autoridad Nacional del Agua. (2010). Manual: Criterios de diseños de obras hidráulicas 
para la formulación de proyectos hidráulicos multisectoriales y de afianzamiento hídrico. 
Dirección de Estudios de Proyectos Multisectoriales.
Pérez, G (2016). Manual de obras hidráulicas.
https://civilgeeks.com/2016/03/12/manual-de-obras-hidraulicas-ing-giovene-perez-
campomanes/
Villón, M. (2007). Hidráulica de Canales. (2° ed.). Editorial Villón. 
Saldarriaga, J. (2007). Hidráulica de Tuberías. Universidad de los Andes. Editorial 
Alfaomega. 
Chow Ven Te. Open Channels Hydraulics, Editorial Diana
EMAIL:
C18640@utp.edu.pe
Web: http://es.slideshare.net/gioveneperezcampomanes/edit_my_uploads
PREGUNTAS
Gracias
Docente: Mg. Ing. Giovene Pérez Campomanes.