RESALTO HIDRÁULICO

DEFINICIONES

- Es el fenómeno en el cual una corriente líquida de gran velocidad en flujo supercrítico, bajo ciertas condiciones, pasa a un flujo subcrítico con una brusca elevación de la superficie libre.

- Es el cambio que se dá súbitamente bajo condiciones apropiadas, de una  corriente que fluye rápidamente en un canal abierto a una corriente que fluye despacio con un área de sección transversal mayor y una elevación súbita en el nivel de la superficie del líquido.

RESEÑA  HISTORICA

Hasta 1818, el resalto hidráulico estuvo considerado como un fenómeno complejo y misterioso, pero en este mismo año, Bidone, realizó las primeras investigaciones sobre el resalto hidráulico, 10 años más tarde Belanger, analizó el fenómeno según el principio de conservación de energía y después corrigió su análisis usando la ecuación impulso-momentum.  Posteriormente numerosos laboratorios e investigadores han realizado estudios sobre su longitud, disipación de energía, eficiencia, saltos hidráulicos dentro de un canal con expansión gradual, inyección de un chorro por la parte inferior del canal, resaltos en canales con pendiente y otros fenómenos que generan características específicas.  En 1934, Yarnell inició un amplio estudio del salto hidráulico en canales con pendiente, que no pudo terminar porque falleció en 1937. Kindsvater (1944), fue  el primer investigador que desarrolló una solución racional del problema, utilizando los datos no publicados de Yarnell, Bradley y Peterka. En la actualidad, la solución analítica del problema comprende la aplicación de las leyes de la estática de los fluídos, el impulso-momentum y la energía específica; los resultados obtenidos de estos análisis teóricos presentan un a buena concordancia con los resultados obtenidos mediante observaciones experimentales.

GENERALIDADES

Bajo ciertas condiciones, una corriente líquida de gran velocidad en flujo supercrítico, en un canal abierto pasa a flujo subcrítico con una brusca elevación de la superficie líquida. En efecto, la corriente de gran velocidad se expansiona y convierte su energía cinética en térmica y potencial.

Las perdidas de energía son mayores a medida que la altura del salto es mayor.

La distancia que hay desde la cara frontal del salto hasta un punto inmediato sobre la superficie del flujo aguas abajo de la ola asociada con el salto, se denomina longitud del salto hidráulico.

En la zona donde se forma el resalto su produce una macro turbulencia y un arrastre de aire hacia el interior de la masa líquida, estas propiedades son aprovechadas para mezclar productos químicos usados en la purificación del agua y para airearla cuando va a usarse en abastecimiento urbano.

La distribución de velocidades aguas abajo del resalto no es uniforme, existiendo una mayor velocidad cerca del fondo del canal; en consecuencia, los coeficientes de corrección de velocidad y momentum están lejos de la unidad, obteniéndose resultados ligeramente diferentes a los obtenidos mediante análisis teóricos.

En cada punto de la superficie libre del remolino que cubre el salto, el nivel oscila rápidamente; pero el termino medio de ese nivel puede ser considerado constante; ese nivel medio es el que determina la altura de presión sobre el fondo del canal, especialmente si la pendiente es pequeña.

Los resaltos hidráulicos han sido clasificados por el personal de Bureau of Reclamation, de los estados unidos, desde el punto de vista de la energía disipada en función del número de Froude (F); dicha clasificación es la siguiente:

- Para F de 1 a 1.7; solo hay una pequeña diferencia entre las profundidades conjugadas (las que existen antes y despues del resalto). Se denominan ondas estacionarias.

- Para F de 1.7 a 2.5; la superficie del agua es tranquila, la velocidad es uniforme y la pérdida de energía es baja. Se denomina pre-resalto.

- Para F de 2.5 a 4.5; ocurre un chorro oscilante entre el fondo y la superficie libre. Cada oscilación produce una onda de periodo irregular la cual puede viajar grandes trayectorias antes de decaer, pudiendo producir grandes daños en el canal, especialmente si no es revestido. Se denomina resalto oscilante.

- Para F de 4.5 a 9; se tiene un intervalo de resaltos adecuados. El resalto está equilibrado y su acción es la deseada, siendo la disipación de energía de 45% al 70%. Se denomina resalto estable.

- Para F de 9 en adelante; se generan olas intermitentes, que se desplazan hacia aguas abajo originando una superficie bastante alterada. La disipación de energía puede llegar al 80%. Se denomina resalto fuerte.

TIPOS DE RESALTOS HIDRÁULICOS

1. Resalto hidráulico en canales rectangulares sin pendiente

Para este tipo de resaltos la relaciones entre las variables se obtienen fácilmente usando las ecuaciones de cantidad de movimiento, energía y continuidad. En estas ecuaciones se supone la velocidad constante en toda la sección. Debido a la proximidad de las secciones donde las ecuaciones se aplican, se desprecian las pérdidas producidas por los efectos de fricción entre el fluido y el canal.

2. Resalto hidráulico en canales rectangulares con pendiente.

 

Si la inclinación del canal es apreciable no son suficientes las herramientas enunciadas para el caso anterior, ya que interviene en el fenómeno la fuerza de gravedad correspondiente al peso del fluido en la dirección del movimiento. Los análisis teóricos de este tipo de resalto se realizan bajo la suposición de que en las secciones a y b rige la ley hidrostática y que el movimiento general es prácticamente paralelo al fondo.

3. Resalto hidráulico sumergido

Los resaltos sumergidos suelen formarse aguas debajo de compuertas o esclusas en sistemas de irrigación, este ocurre si el tirante aguas abajo (y₄) es mayor que y₂ (tirante de salto libre).

4. Resalto hidráulico en interfaces de densidad.

Sea encontrado que los resaltos hidráulicos pueden también ocurrir en internase de densidad dentro de flujos estratificados. Sin embargo este fenómeno denominado salto hidráulico interno, no suele ocurrir en la naturaleza, excepto en la atmósfera y en mareas de estuarios; esta carencia de observación in situ quizá ocurra por que es un fenómeno interno que no necesariamente produce un efecto notorio en la interfase aire-agua.

Los tipos de resaltos hidráulicos internos que pueden presentarse son:

a. cuando la capa 1, pasa de un régimen interno supercrítico a un régimen subcrítico por medio de un salto hidráulico interno.

 

b. cuando la capa 2, pasa de un régimen interno supercrítico a un régimen interno subcrítico por medio de un salto hidráulico interno.

 

Para el análisis de este resalto hidráulico se ignora el esfuerzo cortante interfacial entre las dos capas, se supone que no hay mezcla entre las capas y que todas las distribuciones de presiones son hidrostáticas.

5. Resalto hidráulico en canales no rectangulares.

A los canales no rectangulares que más se les han hecho estudios son a los trapezoidales, triangulares y los circulares.

Para el calculo del resalto hidráulico en estos tipos de canales se han realizado introduciendo en las ecuaciones generales los datos especificados y tanteando hasta que se satisfagan dichas ecuaciones. También pueden emplearse aproximaciones empíricas y otras técnicas analíticas. (Mas información sobre esto en el libro Hidráulica de Canales Abiertos, de Richard H. French).

6. Resalto hidráulico formado en la transición de un canal.

Se ha observado que un flujo supercrítico en un ensanche gradual de un canal, muestra que las líneas de corriente son aproximadamente radiales y que el resalto formado tiene las mismas características que un resalto circular. Debido a esta similitud, el resalto en un ensanche gradual de un canal, se trata analíticamente como una sección de un resalto circular. Para el análisis de este resalto se supone que las líneas de corriente son paralelas y otros supuestos necesarios.

USOS DE RESALTO HIDRÁULICO

El salto hidráulico va acompañado de una turbulencia importante y una disipación de energía. En el campo de flujos en canales abiertos, el salto hidráulico suele tener muchas aplicaciones, entre las que se incluyen:

1. La disipación de energía en flujos sobre diques, vertedores y otras estructuras hidráulicas.

2. El mantenimiento de altos niveles de agua en canales que de utilizan para el propósito de distribución de agua.

3. Incremento 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.

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

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

6. La aerificación de flujos y el desclorinado en el tratamiento de agua.

7. La remoción de bolsas de aire con flujos de canales abiertos en canales circulares.

8. La identificación de condiciones especiales de flujo, como la existencia del flujo supercrítico o la presencia de una sección de control para la medición de la razón efectividad-costo del flujo.

CONTROLES DEL RESALTO HIDRAULICO

Controlar los resaltos hidráulicos de modo que el flujo supercrítico, no salga de limites pre-establecidos, es de gran importancia para la conservación de las obras hidráulicas, debido a que puede socavar el canal aguas abajo. Con el fin de controlar los resaltos  se usan sobre elevaciones o caídas en el fondo, vertederos de cresta aguda o ancha, dientes en pozos de amortiguación, inyección de flujo por la parte inferior del canal, etc.

De los diferentes métodos mencionados, el de inyección de flujo por la parte inferior parece ser el mas efectivo, debido a que puede seguir controlando el resalto aunque no se produzcan las condiciones de diseño.

                                                                                                                                        Carlos Mario Giraldo

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