Fluxo em Canais

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Hidráulica
Hidráulica de canales
Tipos de obras de 
captación
FLUJO EN UN CANAL
• Los canales son conductos abiertos o cerrados en los 
cuales el agua circula debido a la acción de la 
gravedad y sin ninguna presión, pues la superficie 
libre del líquido esta en contacto con la atmósfera; 
esto quiere decir que el agua fluye impulsada por la 
presión atmosférica y su peso propio (gravedad).
FLUJO EN UN CANAL
El flujo de un canal se produce, principalmente, por la acción 
de la fuerza de gravedad y se caracteriza por que expone una 
superficie libre a la presión atmosférica, siendo el flujo siempre 
líquido, por lo general agua.
q La fuerza de gravedad, como la mas importante en el 
movimiento.
q La fuerza de resistencia ocasionada en las fronteras rígidas 
por la fricción y la naturaleza casi siempre turbulenta del 
flujo.
q La fuerza producida por la presión que se ejerce sobre las 
fronteras del canal particularmente en las zonas donde 
cambia su geometría.
q La fuerza debida a la viscosidad del líquido , de poca 
importancia si el flujo es turbulento.
FLUJO EN UN CANAL
A ÉSTAS SE AGREGAN, EXCEPCIONALMENTE, LAS SIGUIENTES:
• LA FUERZA DE TENSIÓN SUPERFICIAL, CONSECUENCIA DIRECTA DE 
LA SUPERFICIE LIBRE.
• LA FUERZAS OCASIONALES DEBIDAS AL MOVIMIENTO
 DEL SEDIMENTO ARRASTRADO.
CLASIFICACIÓN DE LOS CANALES
DE ACUERDO CON SU ORIGEN LOS CANALES SE CLASIFICAN EN:
A) CANALES NATURALES: INCLUYE TODOS LOS CURSOS DEL AGUA DE 
TERRENO NATURAL
VAN DESDE PEQUEÑOS ARROYUELOS EN ZONAS MONTAÑOSAS, HASTA 
QUEBRADAS, RÍOS PEQUEÑOS Y GRANDES, ARROYOS, LAGOS Y 
LAGUNAS.
LA SECCIÓN TRANSVERSAL DE UN CANAL NATURAL, ES GENERALMENTE 
DE FORMA MUY IRREGULAR Y VARIABLE
SECCIÓN TRANSVERSAL IRREGULAR.
Canales 
naturales
CLASIFICACIÓN DE LOS CANALES
CANALES ARTIFICIALES: Los canales artificiales son todos 
aquellos construidos o desarrollados mediante el esfuerzo 
de la mano del hombre, tales como: canales de riego, de 
navegación, control de inundaciones, canales de centrales 
hidroeléctricas, alcantarillado pluvial, sanitario, canales de 
desborde, canaletas de madera, cunetas a lo largo de 
carreteras, cunetas de drenaje agrícola y canales de 
modelos construidos en el laboratorio.
CLASIFICACIÓN DE LOS CANALES
• Los canales artificiales usualmente se diseñan con forma 
geométricas regulares (prismáticos), un canal construido 
con una sección transversal invariable y una pendiente de 
fondo constante se conoce como canal prismático. El 
término sección de canal se refiere a la sección transversal 
tomado en forma perpendicular a la dirección del flujo.
Canales Artificiales
SECCIÓN TRANSVERSAL
LAS SECCIONES TRANSVERSALES MÁS COMUNES SON 
LAS SIGUIENTES
• Sección trapezoidal: Se usa en canales de tierra debido a 
que proveen las pendientes necesarias para estabilidad, y 
en canales revestidos.
• Sección rectangular: debido a que el rectángulo tiene 
lados verticales, por lo general se utiliza para canales 
construidos con materiales estables, acueductos de 
madera, para canales excavados en roca y para canales 
revestidos.
• Sección triangular: se usa para cunetas revestidas en las 
carreteras, también en canales de tierra pequeños, 
fundamentalmente por facilidad de trazo. También se 
emplean revestidas, como alcantarillas de las carreteras.
• Sección parabólica: se emplea en algunas ocasiones para 
canales revestidos y es la forma que toman 
aproximadamente muchos canales naturales y canales 
viejos de tierra.
• Sección circular: el círculo es la sección más común para 
alcantarillados y alcantarillas de tamaños pequeño y 
mediano.
• Sección Portal: se usan comúnmente para alcantarillas y 
estructuras hidráulicas importantes.
SECCIÓN TRANSVERSAL
CANAL ARTIFICIAL DE SECCIÓN TRAPECIAL
PROPIEDADES FÍSICAS
Elementos geométricos de los canales: son propiedades de una 
sección de canal que pueden ser definidos por la geometría de la 
sección y la profundidad del flujo.
Para secciones de canal regulares y simples, los elementos 
geométricos pueden expresarse matemáticamente en términos de la 
profundidad de flujo y de otras dimensiones de la sección.
La forma mas conocida de la sección transversal de un canal es la 
trapecial.
Tirante de agua o profundidad de flujo “y ó d”: es la distancia 
vertical desde el punto más bajo de una sección del canal hasta 
la superficie libre, es decir la profundidad máxima del agua en el 
canal.
Ancho superficial o espejo de agua “T ó B”: es el ancho de la 
superficie libre del agua, en m.
Talud “m ó k”: es la relación de la proyección horizontal a la 
vertical de la pared lateral (se llama también talud de las 
paredes laterales del canal). Es decir “m” es el valor de la 
proyección horizontal cuando la vertical es 1, aplicando 
relaciones trigonométricas.
Ángulo de reposo del material (θ) , es decir y depende del 
tipo de material en que se construya el canal, a fin de evitar 
derrumbes.
Ancho de plantilla o ancho del fondo del canal “b”: es el ancho 
del fondo del canal , en m.
Pendiente de la plantilla (s): es la pendiente longitudinal del fondo del canal.
• Coeficiente de rugosidad (n): depende del tipo de
material en que se aloje el canal.
• Área hidráulica (A): es la superficie ocupada por el agua
en una sección transversal normal cualquiera, se 
expresada en .
• Perímetro mojado (P): es la longitud de la línea de 
contorno del área mojada entre el agua y las paredes del 
canal, expresado en m.
• Radio hidráulico (Rh): es el cociente del área hidráulica y 
el perímetro mojado. , En m.
• Tirante medio (dm): es el área hidráulica dividida por el 
ancho de la superficie libre del agua (T). , Se 
expresa m.
• Gasto (Q): es el volumen de agua que pasa en la sección transversal del 
canal en la unidad de tiempo, y se expresa en m3/ s.
• Velocidad media (v): es con la que el agua fluye en el canal, expresado en
m/s.
• Factor de sección para el cálculo de flujo crítico: es el producto del área 
mojada y la raíz cuadrada de la profundidad hidráulica.
Tabla para el cálculo de diferentes propiedades físicas de 
distintas secciones transversales de canales abiertos
TALUDES RECOMENDADOS PARA DISTINTO TIPOS DE MATERIALES EN 
EL DISEÑO DE CANALES.
Material Talud (m) Valor de q
Roca ligeramente alterada 0.25:1 75º 58’
Mampostería 0.4:1 y 0.7
5:1 68º 12’
Roca sana y tepetate duro 1:1 45º
Concreto 1:1 ó 1.25:1 45º y 38º 40’
Tierra arcillosa, arenisca,
tepetate blando 1.5:1 33º
Material poco estable,
arena, tierra arenisca. 2:1 26º
CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL FLUJO A SUPERFICIE LIBRE
Comparación entre flujo en tuberías y el flujo en un canal abierto
CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL FLUJO A SUPERFICIE LIBRE
Comparación entre flujo en tuberías y el flujo en un canal abierto
Tubería Canal Abierto
• El agua debe llenar completamente 
el conducto.
• El agua esta sometida a la presión 
hidráulica
• El agua que fluye se ve afectada 
por todas fuerzas e impulsos 
mecánicos
• Debe tener una superficie libre
• La superficie libre del agua está 
sometida a la presión atmosférica.
• El agua que fluye en un canal se ve 
afectada por las fuerzas de 
gravedad y de tensión superficial 
que son la consecuencia directa de 
la superficie libre.
CLASIFICACIÓN DE FLUJOS EN CANALES ABIERTOS
El flujo en canales abiertos puede clasificarse en muchos tipos y 
describirse de varias maneras. La siguiente clasificación se hace de 
acuerdo con el cambio de los parámetros de profundidad, velocidad, 
área etc. Del flujo con respecto al tiempo y al espacio.
La clasificación del flujo en canales abiertos se resume de la siguiente 
manera:
B. Flujo no permanente
1. Flujo uniforme no permanente (raro)
2. Flujo variado no permanente
A. Flujo gradualmente variado no 
permanente
B. Flujo rápidamente variado no 
permanente
A. Flujo permanente
1. Flujo uniforme
2. Flujo variado
A. Flujo gradualmente variado
B. Flujo rápidamente variado
CLASIFICACIÓN DE FLUJOS EN CANALES ABIERTOSFLUJO PERMANENTE
El flujo es permanente si los parámetros (tirante, velocidad, área, 
etc.), No cambian con respecto al tiempo, es decir, en una sección 
del canal en todos los tiempos los elementos del flujo permanecen 
constantes. Matemáticamente se pueden representar:
CLASIFICACIÓN DE FLUJOS EN CANALES ABIERTOS
FLUJO NO PERMANENTE.
Si los parámetros cambian con respecto al tiempo el flujo se 
llama no permanente, es decir:
FLUJO UNIFORME PERMANENTE
La profundidad del flujo no cambia durante el intervalo de 
tiempo bajo consideración, es el tipo de flujo fundamental 
que se considera en la hidráulica de canales abiertos.
FLUJO UNIFORME NO PERMANENTE
El establecimiento de un flujo uniforme no permanente 
requeriría que la superficie del agua fluctuara de un 
tiempo a otro pero permaneciendo paralela al fondo del 
canal, como esta es una condición prácticamente 
imposible, flujo uniforme no permanente es poco frecuente 
(raro).
FLUJO VARIADO
Puede clasificarse como rápidamente variado o gradualmente variado.
Flujo Rápidamente Variado
El flujo es rápidamente variado si la profundidad del agua cambia de 
manera abrupta en distancias comparativamente cortas, como es el caso 
del resalto hidráulico.
FLUJO GRADUALMENTE VARIADO
El flujo gradualmente variado es aquel en el cual los parámetros 
cambian en forma gradual a lo largo del canal, como es el caso de 
una curva de remanso.
FLUJO VARIADO
EL FLUJO GRADUALMENTE VARIADO PUEDE SER
ACELERADO (Abatimiento). Se presenta cuando los tirantes en la 
dirección del escurrimiento van disminuyendo
• RETARDADO (Remanso) Se presenta cuando los tirantes en la dirección 
del escurrimiento van creciendo
• Un caso muy típico de remanso es aquel que se presenta 
aguas arriba de un vertedor o cualquier obstrucción 
semejante
Otra clasificación es considerando la relacionada con la fuerza de inercia respecto a la 
fuerza de gravedad, ambas por unidad de masa. Esta relación define si el flujo es 
Critico, Sub-critico o Super-critico y se determina con el número de FROUDE, definido de 
la siguiente manera:
Donde:
´ = Cos / .
2= aceleración de gravedad en
= Área hidráulica de la sección en 2
= Ancho de superficie libre de la sección en m.
= Velocidad media en la sección en m/ s.
= Coeficiente de corrección de la energía cinética, adimensional.
= Ángulo de inclinación de la plantilla respecto de la horizontal.
Estado de flujos
• RÉGIMEN CRÍTICO; Cuando r = 1 y V = ,
• RÉGIMEN SUBCRÍTICO; Cuando < 1, y V < , siendo 
entonces más importante la fuerza de gravedad que la de inercia, 
ya que el flujo ocurre con baja velocidad, es decir, tranquilo.
• RÉGIMEN SUPERCRÍTICO; Cuando > 1, y V > , en 
este caso la fuerza de inercia domina sobre la gravedad, toda vez 
que ocurre a gran velocidad, es decir, rápido o torrencial.
Clasificación del flujo considerando el Fr
ECUACIONES DEL FLUJO UNIDIMENSIONAL PERMANENTE
• ECUACIÓN DE CONTINUIDAD
ECUACIÓN DE LA ENERGÍA
• La energía total por unidad de peso que posee el agua en
 su movimiento, medida en el pinto de intercesión D de cualquier 
línea de corriente con el plano de la sección de un
 canal, se expresa como la suma de su elevación desde un 
plano de referencia, la carga de presión , y la energía 
cinética local , donde es la velocidad local, es decir, en el 
punto. Por ejemplo, en el canal de gran pendiente de la figura, la 
energía total de las partículas sobre la línea de corriente que pasa 
por el punto D en la sección i esta dada por:
DISTRIBUCIÓN DE LA PRESIÓN EN LA SECCIÓN
• La presión en cualquier punto D de la sección del 
flujo en un canal se mide por la altura de la 
columna de agua en un tubo piezométrico instalado 
en el punto, como se precia en la figura.
• Si se ignora los disturbios menores debidos a la 
turbulencia, la distorsión del perfil de distribución 
de la velocidad, etc., La columna de agua en el 
punto de medición puede alcanzar, cuando más, un 
nivel hasta la línea de energía.
DISTRIBUCIÓN DE VELOCIDAD EN LA SECCIÓN 
DE UN CANAL
• Debido a la presencia de una superficie libre y a la 
fricción a lo largo de las pareces del canal, las 
velocidades en un canal no están uniformemente 
distribuidas en la sección transversal.
• La velocidad máxima medida en canales comunes 
normalmente parece ocurrir debajo de la superficie 
libre del agua a una distancia de 0.05 a 0.25 de la 
profundidad v.
DISTRIBUCIÓN DE VELOCIDAD EN LA SECCIÓN 
DE UN CANAL
• la configuración general de la distribución de la 
velocidad en varas secciones de canales, en donde se 
observa que la velocidad va aumentando desde la 
frontera solida hasta un punto situado en o por debajo 
de la superficie libre del agua coincidiendo con la 
mayor vertical de la sección transversal o con su línea al 
centro en el caso de canales prismáticos.
• La distribución de velocidad en un canal depende no 
solo de su forma, sino también de la rugosidad y la 
presencia de codos de curvas.
DISTRIBUCIÓN DE VELOCIDAD EN LA SECCIÓN 
DE UN CANAL
• En un curso de agua ancho, bajo y rápido o en un canal 
de paredes muy lisas, la máxima velocidad se puede 
encontrar muy a menudo cerca de la superficie libre, 
pero mas profundo sea el canal, mas abajo se presenta 
la velocidad máxima.
• En un codo la velocidad aumenta en el lado externo o 
convexo debido a la acción centrifuga del flujo. 
Usualmente, el viento tiene poco efecto sobre la 
distribución de velocidades.
DISTRIBUCIÓN DE VELOCIDAD 
EN LA SECCIÓN DE UN CANAL
DISTRIBUCIÓN DE LA VELOCIDAD EN LA 
SECCIÓN TRANSVERSAL DE UN RIO
• En la figura se observa que la velocidad mínima ocurre en la 
proximidad de la pared y que aumenta hacia la superficie libre. El 
punto de velocidad máxima queda ligeramente debajo de dicha 
superficie, lo que se atribuye al movimiento circulatorio secundario 
inducido por la proximidad de las orillas. La zona donde ocurre se 
localiza prácticamente sobre la vertical de mayor profundidad.
• En la figura se muestra la geografía de la sección de 
aforo de un rio sobre la que se han razado una serie de 
líneas verticales, localizadas por su distancia a una de las 
márgenes mediante una serie de líneas verticales, 
localizadas por su distancia a una de las márgenes 
mediante una serie de marcas en un cable, sobre las que 
se mide la profundidad del fondo.
PERDIDA DE ENERGÍA
• Para conductos a presión de sección circular se expresa en la forma
• F = factor de fricción dependiente del numero de REYNOLDS y de la 
rugosidad absoluta, sin dimensiones.
• L = longitud del conducto en m.
• D = diámetro del conducto en m.
• V = velocidad media del flujo en m/ s.
El radio hidráulico de la sección circular es h	 , por tanto, con h
ƒY (pendiente de fricción), la ecuación aplicable al flujo uniforme en
canales de cualquier sección se expresa mejor en la forma:
En el siguiente modulo del curso correspondiente a flujo uniforme se deriva la 
ecuación de CHEZY, de igual estructura a la anterior pero obtenida en canales; 
también se demuestra que el esfuerzo tangencial medio en la pared debido a 
la fricción y que se opone al movimiento es:
Expresión que también se aplica a una sección aunque el flujo no sea uniforme.
El término
Se conoce como velocidad de fricción por tener las dimensiones de una velocidad