Hidráulica de canales: fundamentos

Juan H. Cadavid R

• Editorial: Universidad EAFIT
• Año: 2020
• ISBN del libro electrónico: 9789588281285
• Categoría: Technology & Engineering
• Categoría: Engineering General

La hidráulica de canales es otra rama aplicada de la mecánica de los fluidos incomprensibles. Esta obra ha sido concebida para servir como auxiliar en la formación básica del estudiante de hidráulica de canales. Así mismo, para proveer de algún apoyo al ingeniero, especialmente en algunos temas de reconocida complejidad. Su estructura se centra en la parte formativa y no se enfoca en las aplicaciones avanzadas y específicas, en la que son bastantes prolijos los tratados clásicos. Articula una secuencia de siete capítulos. El primero acerca el asunto a sus raíces más próximas, en el campo de la mecánica y de la ingeniería. Los tres siguientes capítulos se ocupan de conceptos relativos a la energía. El capítulo quinto discurre en el principio de conservación del lineal, y muy especialmente en el interesante y llamativo fenómeno del resalto hidráulico. El sexto formaliza la noción del flujo uniforme. El último se ocupa del flujo gradualmente variado y tiene como objetivo final el cálculo detallado del trazado vertical de la superficie libre de un canal, o perfil de flujo, momentum lineal, y muy especialmente en el interesante y llamativo fenómeno del resalto hidráulico. El sexto formaliza la noción del flujo uniforme. El último se ocupa del flujo gradualmente variado y tiene como objetivo final el cálculo detallado del trazado vertical de la superficie libre de un canal, o perfil de flujo.

1.

INTRODUCCIÓN A LA HIDRÁULICA DE CANALES

Este capítulo tiene como objeto preparar el desarrollo de los temas esenciales de la hidráulica de canales.

En una primera parte se discute acerca de la relación entre la hidráulica de canales y la mecánica de fluidos. Se muestra que la hidráulica, en un sentido general, se gestó y adquirió un perfil propio como parte del intento por hacer aplicables los principios de la mecánica de fluidos a problemas prácticos de transporte de líquidos. Así mismo se da una mirada al vínculo de la hidráulica con la ingeniería en general y con la civil en particular. Este preámbulo es inevitable porque lleva a delimitar el objeto específico del libro y a mostrar un camino por recorrer.

En la segunda parte, el lector toma contacto con el material mínimo que le facilitará adentrarse en el estudio del libro. Se hace especial énfasis en dos grandes categorías: la concepción geométrica del canal y las nociones de base de la mecánica de fluidos. Estos conceptos pueden entregarse tempranamente, porque no demandan un tratamiento muy exhaustivo y sería innecesario aplazarlos y dedicarles mucho espacio. Hace parte también de los contenidos iniciales una presentación novedosa, y provisional, de otros conceptos como son la definición de los regímenes subcrítico, crítico y supercrítico, derivados de la similaridad de Froude, y de la noción fundamental de control hidráulico. Si no se hiciera así, la exposición venidera resultaría más ardua y complicada.

1.1. LA HIDRÁULICA EN LA MECÁNICA Y LA INGENIERÍA

1.1.1 ORÍGENES

El líquido es uno de los estados en que se manifiesta la materia. El hombre tiene contacto cotidiano con diversas variedades de ellos. Aparecen como alimento, en el fenómeno lluvia-escorrentía, como combustibles, en el funcionamiento del propio cuerpo, o en toda clase de procesos industriales. Para su aprovechamiento se requiere almacenarlos o transportarlos. La comprensión y modelación de estos procesos encaja dentro de la mecánica de fluidos, una rama más especializada de la mecánica del medio continuo.

La mecánica de fluidos se estructura alrededor de cuatro principios de conservación que conducen a sendas ecuaciones y la hacen aplicable a situaciones de índole práctico. Éstos son:

Principio de conservación de la energía
Principio de conservación del momentun lineal
Principio de conservación del momentun angular
Principio de conservación de la masa

Los tres primeros principios se emplean en las aplicaciones de la mecánica clásica (newtoniana), con alguna de las siguientes idealizaciones del cuerpo libre: partícula, cuerpo rígido o sistema de partículas. El resultado es la determinación de las variables cinemáticas.

Las dificultades operativas inherentes a sistemas de muchas partículas requieren de otro tipo de idealización del cuerpo libre, llamado medio continuo y por tanto de una nueva especialización de la mecánica: la mecánica del medio continuo (o del medio deformable). Es allí donde justamente comienza a hacerse necesario el cuarto principio, el cual se consolida en la mecánica de fluidos donde llega a ser imprescindible. La conservación de la masa se reduce a la del volumen en aquellas aplicaciones donde el fluido se comporta como incompresible. El principio se conoce, en consecuencia, como de la continuidad.

El número de salidas esperables se reducen a las variables de velocidad y de presión en las aplicaciones de la mecánica de fluidos y el problema se considera cerrado cuando éstas se conocen.

Así mismo, el concepto - más general - de medio continuo se transforma en el de campo de flujo al pasar a la mecánica de fluidos. La aplicación de las ecuaciones de conservación se realiza sobre una zona específica del campo de flujo, llamada volumen de control.

Existen dos versiones, que se utilizan de acuerdo con el grado de precisión esperado en una aplicación:

Volumen de control diferencial
Volumen de control finito

Un volumen de control diferencial posee la misma estructura geométrica del elemento mínimo de análisis empleado en la mecánica del medio continuo, esto es, la del diferencial de volumen asociado a los diferentes sistemas de coordenadas utilizados en el cálculo infinitesimal (por ejemplo el cubo, en el cartesiano). El campo de flujo queda, por ende, dividido en un sinnúmero de ellos.

Un volumen de control finito cubre zonas amplias (finitas) del campo de flujo en estudio y se adapta, consecuentemente, a la forma de elementos empleados en el transporte y almacenamiento de fluidos, como son tuberías, canales, fuselajes, alas, hélices, bombas, turbinas, tanques, embalses, etc. Esto es, los objetos prácticos que se encuentran en algunas aplicaciones de la ingeniería.

Cada variedad de volumen de control requiere que las ecuaciones de conservación se escriban en forma apropiada. Se trata por tanto, de ecuaciones diferenciales en derivadas parciales en el caso de uno diferencial y de ecuaciones integrales en el de uno integral. Esta especificidad lleva a hablar de un enfoque diferencial y de un enfoque integral de la mecánica de fluidos. El problema de la modelación de líquidos adquiere así un nuevo grado de particularización.

El enfoque – o método - diferencial sirve para determinar la velocidad y la presión en cada punto y en cada tiempo del campo de flujo. Por ello se les denomina, más apropiadamente, campo de velocidades y campo de presiones. Es factible acceder a soluciones cerradas (o analíticas) de las ecuaciones que caracterizan este tipo de problemas al emplear la hipótesis de fluido ideal (hidrodinámica clásica) o también en algunas situaciones, muy particulares, de flujo laminar. Es preciso recurrir a procedimientos numéricos en la mayoría de las circunstancias, pero, aún así, no es siempre posible lograr una solución, en virtud de la carencia de modelos teóricos para describir la turbulencia y por la irregularidad de algunas condiciones de borde¹. Por estas razones, resulta ser un problema bastante especializado y no asequible a la formación primaria del ingeniero.

Una primera mirada sobre la estructura de las ecuaciones de conservación escritas...

Índice

• CUBIERTA
• PORTADA
• CRÉDITOS
• CONTENIDO
• PRÓLOGO
• CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LA HIDRÁULICA DE CANALES
• CAPÍTULO 2. PRINCIPIO DE ENERGÍA EN HIDRÁULICA DE CANALES
• CAPÍTULO 3. FLUJO CRÍTICO
• CAPÍTULO 4. ESTRUCTURAS DE CONTROL DEL FLUJO
• CAPÍTULO 5. PRINCIPIO DE MOMENTUN EN HIDRÁULICA DE CANALES
• CAPÍTULO 6. FLUJO UNIFORME
• CAPÍTULO 7. FLUJO GRADUALMENTE VARIADO
• LISTA DE SÍMBOLOS
• BIBLIOGRAFÍA
• NOTAS AL PIE
• CONTRACUBIERTA