Disipadores

CURSO:

Hidráulica II

ALUMNOS:

Álvarez Villanueva, Jairo

Bustamante Ruitón, Freddy

Huamán Sevilla, Zeidy

Ramos Correa, Antenor

Rodríguez Ortiz, María Isabel

Vilela López, Rafael

DOCENTE:

Ing. Luis Vásquez Ramírez

HIDRÁULICA II UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA

1


2

I. INTRODUCCIÓN

Uno de los aspectos que generalmente merece especial atención en el diseño de obras hidráulicas es

la disipación de la energía cinética que adquiere un flujo en su descenso. Esta situación se presenta en

vertederos de excedencias, estructuras de caída, desfogues de fondo, bocatomas, salidas de

alcantarillas, etc.

La estructura disipadora de energía es una parte importante de la obra de excedencia que tiene por

objeto disipar la energía cinética que el agua adquiere en su caída desde el vaso hasta un sitio adecuado

en el fondo del cauce, donde no genere problemas de erosión o socavación. Estas estructuras se

diseñarán para que el agua, que sale del canal de descarga, se aleje lo máximo posible, dentro de lo

económico, de la cortina o de alguna estructura complementaria.

El tipo de disipador de energía que se diseñe depende de la clase de material que se tenga en el sitio

en que se puede descargar la avenida. Cuando se tenga roca sana, se puede descargar el agua

directamente del vertedor, en régimen rápido, sin necesidad de pasar a régimen tranquilo, siempre

que no vaya a causar problema a la pequeña presa o bordo de almacenamiento. Si el material es

erosionable, se diseña un tanque amortiguador de sección transversal rectangular, hecho de

mampostería o concreto armado.

Se debe estar consciente, que una falla en el diseño, instalación u operación de los disipadores puede

llevar a problemas como socavación, erosión o retención de material, que pueden terminar

produciendo la falla del vertedero y posteriormente la falla de la presa.

En el presente informe, se detallará el proceso y resultados obtenidos en la práctica de laboratorio con

disipadores de energía.

II. OBJETIVOS

Diseñar tres tipos de disipadores de energía según el número del froude.

Observar la fuerza y arrastre así como la socavación que se genera en un resalto

hidráulico.

Aprender a identificar un salto hidráulico, clasificarlo y calcular la pérdida de energía

que genera, calcular y medir la longitud del mismo, asi como definir la necesidad de

una estructura disipadora de energía.

III. MARCO TEÓRICO


3

3.1. EL RESALTO HIDRÁULICO

Es el ascenso brusco del nivel del agua que se presenta en un canal abierto a consecuencia

del retardo que sufre una corriente de agua que fluye a elevada velocidad.

Este fenómeno presenta un estado de fuerzas en equilibrio, en el que tiene lugar un cambio

violento del régimen de flujo, de supercrítico a subcrítico.

Las características del resalto hidráulico han sido aprovechadas para reducir las velocidades de

flujo en canales, a valores que permitan el escurrimiento sin ocasionar tensiones de corte

superiores a los límites permitidos por los materiales que componen el perímetro mojado.

El lugar geométrico en el que se presenta el resalto se denomina colchón hidráulico.

Una de las aplicaciones prácticas más importantes del salto hidráulico, es que se utiliza para disipar

la energía del agua que fluye sobre presas, vertedores y otras estructuras hidráulicas, y prevenir de

esta manera el fenómeno de socavación aguas debajo de dichas estructuras (Figura 1).

Fig. N° 1 Vertedor de cresta de caída rápida con resalto

3.2. GENERACIÓN DEL RESALTO HIDRÁULICO

El resalto hidráulico es el ascenso brusco del nivel del agua que se presenta en un canal abierto a

consecuencia del retardo que sufre una corriente de agua que fluye a elevada velocidad. Este

fenómeno presenta un estado de fuerzas en equilibrio, en el que tiene lugar un cambio violento del

régimen de flujo, de supercrítico a subcrítico.

3.3. GENERACIÓN DEL RESALTO HIDRÁULICO

El resalto hidráulico es el ascenso brusco del nivel del agua que se presenta en un canal abierto a

consecuencia del retardo que sufre una corriente de agua que fluye a elevada velocidad. Este

fenómeno presenta un estado de fuerzas en equilibrio, en el que tiene lugar un cambio violento del

régimen de flujo, de supercrítico a subcrítico. Consideremos el siguiente esquema:


4

Fig. N° 2 Resalto Hidráulico

En la sección 1 actúan las fuerzas hidrostática F1h y dinámica F1d; en forma similar, pero en sentido

contrario en la sección 2, F2h y F2d. En ambas secciones la sumatoria de fuerzas da como resultado

F1 y F2 respectivamente. En el estado de equilibrio, estas fuerzas tienen la misma magnitud, pero

dirección contraria (la fuerza F1h es menor a F2h, inversamente F1d es mayor a F2d).

Debido a la posición de las fuerzas resultantes, ambas están espaciadas una distancia d, lo cual

genera un par de fuerzas de la misma magnitud, pero de sentido contrario. En razón a la condición

de líquido, las partículas que la componen adquirirán la tendencia de fluir en la dirección de las

fuerzas predominantes, presentándose la mezcla del agua con líneas de flujo superficiales

moviéndose en sentido contrario a la dirección de flujo y de manera inversa en la zona cercana a la

solera.

Tirante conjugado (aguas abajo del resalto):

g

yvyyy 1

2

1

2

112

**2

42 ..……………………..….. Ecua 01

Con

1

11

* yg

vFr ..……………………..…..Ecua 02

La expresión del número de Froude (número adimensional que expresa la relación entre las fuerzas

de inercia y de gravedad), permitirá obtener la expresión adimensional de tirantes conjugados:

1812

1 1

1

1

2 Fry

y ..……………………..…..Ecua 03

El tirante antes y después del resalto hidráulico resulta función del Número de Froude. Las características del resalto hidráulico han sido aprovechadas para reducir las velocidades de flujo en canales a valores que permitan el escurrimiento sin ocasionar tensiones de corte superiores a los límites permitidos por los materiales que componen el perímetro mojado. El lugar geométrico en el que se presenta el resalto se denomina colchón hidráulico.

Diferentes investigadores han profundizado en el tema de la disipación de la energía a través de un

resalto hidráulico; algunos han puesto atención a la relación entre los tirantes y condiciones de flujo


5

antes y después del resalto, los menos han abordado los mecanismos internos que gobiernan este

fenómeno hidráulico. Se ha investigado diferentes formas de colchones hidráulicos con el objeto

de lograr una mejor disipación de energía en una menor longitud.

3.4. TIPOS DE RESALTO HIDRÁULICO

Prácticamente, el resalto hidráulico es un medio útil para disipar el exceso de energía en un flujo con régimen supercrítico. Su importancia radica en prevenir la erosión en la base de la estructura aguas debajo de los vertedores de excedencia, rápidas y compuertas deslizantes, ya que esto reduce rápidamente la velocidad del flujo sobre un piso protegido hasta un punto donde el flujo pierde su capacidad de socavar el lecho (Figura 3).

Fig. N° 3 Tramo de resalto hidráulico

El resalto hidráulico utilizado para la disipación de energía y al lugar geométrico en el que se

presenta el resalto se le denomina colchón hidráulico.

Cuando el número de Froude de la descarga es igual a 1.0, el régimen es crítico y el resalto no se

puede formar. Cuando los números de Froude varían de 1.0 hasta aproximadamente 1.7, la

circulación tiene un régimen sólo ligeramente inferior al del tirante crítico, y el cambio de la

circulación con un tirante pequeño a uno elevado es gradual y se manifiesta solamente por una

ondulación ligera de la superficie del agua. Al aproximarse el número de Froude al valor de 1.7se

comienza a formar en la superficie una serie de pequeñas ondulaciones, que se hacen mayores con

los valores más elevados del número. Aparte de las ondulaciones superficiales, prevalece un flujo

bastante uniforme hasta que el número de Froude llega aproximadamente a2.5.

Cuando los números de Froude tienen valores comprendidos entre 2.5 y 4.5 se produce un resalto

oscilante, el chorro entrante corre alternativamente cerca de la plantilla y luego a lo largo de la

superficie del canal de aguas abajo. Este flujo oscilante produce ondas superficiales perjudiciales

que llegan mucho más allá del extremo del colchón amortiguador. En la variación de números de

Froude comprendida entre 4.5 y 9, ocurre un resalto estable y bien equilibrado. La turbulencia está

con final al cuerpo principal del resalto, y la superficie de flujo aguas abajo esta comparativamente

pareja. Al aumentar el número de Froude a más de 9,la turbulencia dentro del resalto y el remolino

de la superficie aumenta en actividad, resultando una superficie del agua irregular con ondas


6

superficiales fuertes aguas abajo del resalto. En la figura 4 se ilustran formas del fenómeno del

resalto hidráulico para varias series de valores del número de Froude.

Fr entre 1.7 y 2.5 Forma A – Régimen antes del resalto

Fr entre 2.5 y 4.5 Forma B – Régimen de transición

Fr entre 4.5 y 9.0 Forma C – Zona de resaltos bien balanceados

Fr mayor a 9.0 Forma D – Resalto efectivo pero con una superficie muy irregular aguas

abajo

3.5. DISIPADORES DE ENERGÍA

Cuando el agua corre por el vertedero y los canales o túneles de descarga contiene gran cantidad de

energía y mucho poder destructivo debido a las altas presiones y velocidades. Éstas pueden causar

erosión en lecho del río, en el pie de la presa, o en las estructuras mismas de conducción, poniendo en

peligro la estabilidad de las estructuras hidráulicas. Por lo tanto se deben colocar disipadores de

energía.

Para la selección del tipo de disipador se debe tener las siguientes consideraciones:

1. Energía de la corriente.

2. Economía y mantenimiento ya que éste eleva mucho el costo.

3. Condiciones del cauce aguas abajo (roca, suelo erodable, etc).

4. Ubicación de las vías de acceso, casa de máquinas, y demás estructuras hidráulicas ya que su

seguridad no puede quedar comprometida.

5. Congelamiento.

6. Efecto de las subpresiones y del vapor de agua sobre las instalaciones.

7. Daños causados a la fauna y la flora por la erosión.

8. Proyectos y poblaciones aguas abajo.

Existen varios tipos de disipadores de energía, entre los cuales se tienen:

Bloques de concreto o bafles:


7

Se instalan en el piso del tanque amortiguador para estabilizar el salto suministrando una fuerza en el sentido de aguas arriba. También se instalan a lo largo del canal de descarga, intercalados, para hacer que el flujo tenga un recorrido más largo y curveado, disminuyendo su velocidad.

Dientes o dados:

Se colocan a la entrada del tanque amortiguador para dispersar el flujo. También se colocan en los vertederos y canales de descarga para disminuir la energía por medio de impacto. Cuando se colocan en la contraescarpa distribuyen el impacto en un área mayor.

Por medio del uso de modelos reducidos se ha llegado a la conclusión que son muy eficaces para caudales pequeños pero para grandes, el agua se subdivide con violencia y es lanzada en arco de gran altura y al caer provoca socavaciones en el terreno. Debe tenerse en cuenta las cargas adicionales sobre la estructura que transmiten los dados amortiguadores al vertedero, para que por mal diseño de estos no se comprometa la estabilidad de la presa.

Escalones:

Se colocan con mayor frecuencia en el canal de descarga y disipan la energía por medio de impacto e incorporación de aire al agua.

Tanques amortiguadores:

Disipa la energía cinética del flujo supercrítico al pie de la rápida de descarga, antes de que el agua retorne al cauce del río. Todos los diseños de tanques amortiguadores se basan en el principio del resalto hidráulico, el cual es la conversión de altas velocidades del flujo a velocidades que no puedan dañar el conducto de aguas abajo. La longitud del tanque debe ser aproximadamente la longitud del resalto. Ésta se puede disminuir construyendo bloques de concreto, dientes o sobre elevando la salida. Es muy importante tener en cuenta el número de Froude para saber la forma y características del resalto y del flujo y así definir el tipo de estanque.

La siguiente gráfica muestra como va variando el régimen del flujo a medida que aumenta la velocidad en un tanque tipo I en el cual se provoca un piso horizontal, sin bloque de impacto, dientes o umbral extremo. Frecuentemente no resulta un tanque atractivo debido a su excesiva longitud.

De acuerdo con el número de Froude, los tanques empleados son :

1. Cuando Froude es menor que 1,7 no necesita emplear tanques amortiguadores, deflectores u otros dispositivos amortiguadores.


8

2. Cuando 1,7<F<2,5 Es la etapa previa al resalto. Como no tiene turbulencia, no son necesarios amortiguadores pero el tanque debe ser lo suficientemente largo para almacenar toda la longitud en la que se produce la retardación,

3. Cuando 2,5<F<4,5 es el tanque tipo IV. No se forma un verdadero resalto, es un régimen de transición. Aunque reduce el oleaje excesivo creado por saltos imperfectos, las olas seguirán más allá del estanque, por lo que se deben usar dispositivos amortiguadores.

4. Cuando F> 4,5 es el estanque tipo III. Se forma un verdadero resalto. La instalación de dispositivos como bloques deflectores, dientes amortiguadores y umbral terminal en el suelo del estanque, permiten acortar su longitud en un 60%. Se usa para canales de descarga de vertedores y estructuras pequeñas en canales, donde la velocidad no exceda de 15-18 m/s.

5. Para F> 4.5 es el tanque tipo II. La longitud del tanque está reducida alrededor del 33% con dientes al principio y al final del tanque. Se usa en grandes caídas, descargas de vertedores o canales.

Estanques de amortiguadores :

Tipo impacto:

Es una estructura amortiguadora donde la disipación se da cuando el chorro de llegada choca con un deflector vertical suspendido y por los remolinos que se forman debido al cambio de dirección de la corriente después de haber chocado con el amortiguador. Es indispensable que la estructura sea lo suficientemente fuerte para soportar el empuje que produce el chorro sin deslizarse ni poner en peligro la presa.

Con válvulas de control de chorro hueco:

El chorro sale inducido por una válvula y choca contra una pantalla inclinada. Es usada para grandes descargas en estructuras de control en el extremo de aguas abajo. Es mucho más corto, alrededor del 50% menos que un tanque convencional. Para reducir costos y salvar espacios es construido adyacente o en el interior de la casa de máquinas.

Estanques de inmersión:

La energía se disipa por medio de choque ya que el agua cae libre y verticalmente en un estanque en el lecho del río. Debido al gran poder erosivo del agua, se tiene que revestir el cauce y sus paredes con rocas o concreto de modo que quede como una especie de piscina de clavados. De todas maneras los materiales sufren mucho desgaste por el constante choque por lo cual se le debe hacer un buen mantenimiento.

Losas dentadas para canales o descarga de vertedores:

Se usa en canales donde el agua debe bajarse de una elevación a otra. La losa impide aceleraciones inconvenientes del flujo a medida que el agua avanza por el vertedero. El canal puede diseñarse para descargas hasta de 5.5 m3/s por metro de ancho y la caída puede ser tan grande como sea


9

estructuralmente factible. Con la losa el agua llegará al pie del vertedero con una velocidad relativamente baja y no requerirá tanque amortiguador.

Salto de esquí:

Se utiliza para grandes descargas, principalmente en los vertederos. Ésta se hace directamente sobre

el río. Se utilizan unos trampolines para hacer saltar el flujo hacia un punto aguas abajo reduciendo

así la erosión en el cauce y el pie de la presa. La trayectoria del chorro depende de la descarga, de su

energía en el extremo y del ángulo con el que sale del trampolín. Su funcionamiento se ve con la

formación de dos remolinos uno en la superficie sobre el trampolín y el otro sumergido aguas abajo;

la disipación de la energía se hace por medio de éstos.

Existen dos modelos, trampolín liso y trampolín estriado, ambos con igual funcionamiento hidráulico y con las mismas características, que difieren únicamente en la forma de salir el agua del trampolín.

En el liso el agua sale con mayor ángulo y choca con la superficie, creando remolinos y haciendo que el flujo aguas abajo no sea uniforme.

En el estriado, el agua sale con menor ángulo lo que hace que el choque con la superficie sea más suave y que el flujo aguas abajo sea uniforme. Debido a que tiene dos ángulos diferentes de lanzamiento, incorpora aire y también genera remolinos horizontales disipando mayor cantidad de energía.

Aunque en el trampolín estriado se obtiene mejor disipación con menos perturbación, es más sensible con las variaciones de caudal, veamos:

Cuando la descarga es insuficiente (mínima), el chorro empuja el remolino a lo largo del cauce, produciendo erosión aguas abajo ya que se lo puede llevar a una zona que no esté protegida.

Al aumentar el caudal, el remolino empieza a remontar, desplazándose aguas arriba, llegando al comportamiento ideal, pero el caudal sigue aumentando y cuando es demasiado grande, se produce el fenómeno de chorro ahogado. El chorro ya no se eleva al salir del trampolín si no que sigue por el fondo del canal, y el remolino se forma en la superficie, lo que produce erosión.

Cuando el caudal empieza a disminuir, el chorro se empieza a elevar y a producir el remolino en el fondo, rellenando lo erosionado (etapa B), en este proceso es muy importante tener en cuenta la dirección de los remolinos en cada etapa para poder entender lo que sucede.

En los amortiguadores estos son los principales o los que más se han desarrollado, pero para cada proyecto puede decirse que se crea un nuevo disipador ya que todos los proyectos son distintos y tienen diferentes regímenes; además las combinaciones que se pueden hacer son infinitas. También se debe estar consiente, que una falla en el diseño, instalación u operación de los disipadores puede llevar a problemas como socavación, erosión o retención de material, que pueden terminar produciendo la falla del vertedero y posteriormente la falla de la presa. Así pues los diseños de estructuras disipadoras


10

de energía, obedecen a estudios experimentales que tienen en cuenta las características propias del flujo a manejar, del sitio de la construcción y su engranaje con el conjunto total de la obra, lo que hace que cada diseño sea único, y crea la necesidad de construir modelos hidráulicos para garantizar que el funcionamiento corresponda a lo planteado teóricamente.

3.6. CANALES DENTADOS

Los canales dentados están provistos de accesorios especiales, incluidos bloques, umbrales y pilares

deflectores. Este tipo de lozas dentadas, para canales o descarga de vertedores, se usa en canales

donde el agua debe bajarse de una elevación a otra, para impedir aceleraciones inconvenientes del

flujo a medida que el agua avanza por el vertedero. El canal puede diseñarse para descargas hasta

de 5.5 m3/s por metro de ancho y la caída puede ser tan grande como sea estructuralmente

factible. Con la losa, el agua llegará al pie del vertedero con una velocidad relativamente baja y no

requerirá un colchón hidráulico amortiguador.

3.6.1. CANAL CON BLOQUES

Los bloques en la rápida se utilizan para conformar una estructura dentada a la entrada del canal

de entrega. Su función es dividir el chorro de entrada y elevar una parte de él desde el piso,

produciendo una longitud de salto más corta que la que sería posible sin ellos. Estos bloques

también tienden a estabilizar el resalto y por consiguiente a mejorar su comportamiento (Figura

10).

Fig. N° 4 Bloques a la entrada del colchón hidráulico

3.6.2. CANAL CON REMATE DENTADO

Los umbrales dentados a menudo se colocan al final del canal de entrega (Figura 11). Su función es

reducir además la longitud del resalto y controlar la socavación. Para canales largos, diseñados para

altas velocidades de entrada, el remate o umbral - por lo general - es dentado, para llevar a cabo la


11

función adicional de volar la parte residual del chorro de alta velocidad que puede alcanzar el

extremo del canal de salida.

Fig. N° 5 Umbrales a la salida del canal de entrega.

3.6.3. CANAL CON PILARES DEFLECTORES

Son bloques localizados en posiciones intermedias sobre el piso del canal de entrega (Figura 12). Su

función es disipar la energía principalmente mediante una acción de impacto. Los pilares

deflectores son muy útiles en pequeñas estructuras con velocidades de entrada bajas.

Fig. N° 6 Pilares deflectores en el canal de entrega Fig. N° 7

3.7. ESTANQUES AMORTIGUADORES

Los estanques amortiguadores tienen su aplicación en vertederos de excedencias, rápidas y

estructuras de caída libre. En ellos la energía se disipa por medio de choque ya que el agua cae libre

y verticalmente en un estanque en el lecho del río. Debido al gran poder erosivo del agua, se tiene


12

que revestir el cauce y sus paredes con rocas o concreto. De todas maneras los materiales sufren

mucho desgaste por el constante choque por lo que se debe hacer un mantenimiento periódico.

Un estanque amortiguador se hace necesario cuando no es posible lograr la disipación de energía

deseada de manera natural, es decir, cuando el tirante conjugado necesario es mayor al tirante

existente aguas abajo. En esos casos se considera la alternativa de forzar a la disipación a través de

un estanque artificial, obligando el desarrollo del resalto hidráulico en un tramo lo más corto

posible. Para este propósito, serán necesarias obras complementarias que permitan proteger el

perímetro mojado de la zona de mayores velocidades.

Al pie de la caída se presenta el tirante mínimo ymin y por lo tanto la energía específica máxima

(Figura 13). Si ymin = y1, para la formación del resalto hidráulico será necesario contar con un

tirante conjugado y2, que deberá desarrollarse por efecto de las condiciones de escurrimiento

existentes aguas abajo (ab); es decir que y2≈yab.

Fig. N° 8 Resalto hidráulico para ymin < y1

Si yab < y2, el resalto hidráulico no se formará en la sección 1, sino que por efecto de su energía cinética, la zona de régimen supercrítico se desplazará aguas abajo, hasta encontrar un tirante que sea próximo al tirante conjugado. Sin embargo, es posible que la zona de régimen supercrítico tenga una longitud mayor a la máxima establecida por los criterios adoptados para el proyecto.

Para incrementar el tirante de aguas abajo existen varias posibilidades:

profundizar el piso o construir un travesaño de fondo.

incrementar la rugosidad de la loza de fondo

reducir el ancho de la sección.

reducir la pendiente de la loza de fondo.

3.8. ESTANQUES AMORTIGUADORES DE LA U.S.B.R.

De acuerdo a la clasificación del U.S. Bureau of Reclamation, existen cinco tipos de estanques

amortiguadores:

TIPO I Para canales con pendiente moderada.


13

TIPO II Estanques amortiguadores para vertederos de presas grandes y de tierra con

canales extensos,

TIPO III Pequeños estaques amortiguadores para estructuras de canal, pequeñas

estructuras de salida, y vertederos menores.

TIPO IV Utilizado en estructuras de canal y en presas de derivación. Este diseño reduce

las ondas excesivas creadas en resaltos imperfectos.

TIPO V Estanques amortiguadores con pendientes pronunciadas. El principal objetivo en

el diseño hidráulico de un estanque amortiguador es la determinación del ancho y

elevación del estanque para formar un resalto hidráulico estable. Esto se obtiene

cuando el nivel del agua de la altura conjugada es igual al nivel del tirante aguas abajo.

3.8.1. Estanque Amortiguador Tipo I Los estanques de tipo I deben ser utilizados cuando el número de Froude Fr 1es menor a 1.7,sin

embargo en la práctica este límite puede extenderse a 2.5. Cuando el número de Froude es1.7 el

tirante conjugado Y2 es aproximadamente el doble del tirante de llegada, o aproximadamente 40%

mayor que el tirante crítico. La velocidad de salida v2 es aproximadamente la mitad de la velocidad de

llegada, o 30% menor que la velocidad crítica. Las longitudes del canal más allá del punto dónde el

tirante comienza a cambiar no deben ser menores que aproximadamente 4 y 2. La longitud del

estanque puede ser aproximada por la longitud Lj en la figura 6-3 puede ser utilizada para calcular la

altura del estanque


14

Fig. N° 9 Estanque amortiguador tipo I. a.)Longitud del resalto; b.) Relación hab / y1 ; c) relación L/y2 ; d) Pérdida de energía en el resalto (Mays, 2000)

3.8.2. Estanque Amortiguador Tipo II

El estanque amortiguador tipo II se desarrolló para cuencos disipadores de uso común en vertederos

de presas altas, de presas de tierra y para estructuras de canales grandes. El estanque contiene bloques

en la rápida del extremo de aguas arriba y un umbral dentado cerca del extremo de aguas abajo. No

se utilizan bloques de impacto debido a que las velocidades relativamente altas que entran al resalto

pueden causar cavitación en dichos bloques. En la figura 6.13 se muestran los detalles constructivos y

los datos necesarios para el cálculo. Este tipo de disipadores son utilizados cuando el número de

Froude está por encima de 4.5 o velocidades mayores a 15 m/s.


15

Fig. N° 10 Estanque amortiguador para números de Froude por encima de 4.5 a) Dimensiones del estanque tipo II; b) Tirante mínimo; c) Longitud del resalto (Mays, 2000)

3.8.3. Estanque Amortiguador Tipo III

Los estanques amortiguadores tipo III son más cortos que los del tipo II, y poseen un umbral de salida

y dados amortiguadores aguas abajo del los bloques de caída. La velocidad de llegada para este tipo

de disipador debe ser limitada para prevenir la posibilidad de presiones bajas en los dados

amortiguadores que pueden originar cavitación. El comportamiento de este disipador indica que su

longitud y la del resalto pueden reducirse alrededor del 60%, con accesorios en comparación con el

80% para el disipador SAF. Los estanques tipo III son utilizados en pequeños vertederos, estructuras

de salida, y en pequeñas estructuras de canal donde v1noexcede de 15 a 18 m/s y el número de Froude

Fr 1>4.5.


16


17

Fig. N° 11 Estanque amortiguador para numero de Froude por encima de 4.5 y velocidad de llegada < 18 a) dimensiones del estanque tipo III ; b) alturas del dado y del umbral; c) tirantes minimos (Mays, 2000)

3.8.4. ESTANQUE AMORTIGUADOR TIPO IV

Cuando el número de Froude esta comprendido entre 2.5 y 4.5, se producirá un resalto oscilante en el

estanque amortiguador, el cual genera una onda que es difícil de atenuar. El estanque amortiguador

tipo IV se diseña para combatir este problema eliminando la onda en sufuente1. Esto se lleva a cabo

intensificando el remolino, que aparece en la parte superior del resalto, con los chorros direccionales

deflectados utilizando grandes bloques en la rápida cuyo número mínimo requerido para este

propósito se muestra en la figura 6.13. para un comportamiento hidráulico mejor, es conveniente

construir estos bloques más angostos que lo indicado, preferiblemente con un ancho igual a 0.75 y 1,

y fijar la profundidad de salida, de tal manera que sea un 5% a 10% mayor que la profundidad recuente

del resalto. La longitud del estanque puede determinarse mediante la curva c.) de la figura 20. El

estanque tipo IV se utiliza en las secciones transversales rectangulares.

Fig. N° 12 Estanque amortiguador tipo IV. a) Dimensiones del estanque; b) Tirante mínimo; c)Longitud del resalto (Mays, 2000)


18

3.9. FUERZA DE ARRASTRE

Cuando un cuerpo de cualquier forma se encuentra en el interior de un fluido, el paso o movimiento del fluido a través de él, produce una fuerza, la cual tiende a mover dicho cuerpo. Esta fuerza tiene componentes según los tres ejes coordenados, la fuerza según la dirección de la corriente fluida se denomina fuerza de arrastre FR, la fuerza perpendicular a la corriente se denomina fuerza de sustentación FS y la tercera fuerza se denomina fuerza lateral FL. El conocimiento de estas fuerzas es de gran importancia en el diseño y cálculo de carros, barcos, edificios, avisos, pilas de puentes, etc. Por la complejidad del problema se hace necesario recurrir a la construcción de modelos de laboratorio, en túneles de viento o en canales con corrientes de agua. Experimentalmente se ha encontrado que la fuerza de arrastre FR se puede expresar como:

2**

2VACF DR ..……………………..…..Ecua 17

Donde, en el sistema métrico técnico: FR: es la fuerza de arrastre expresada en kg. CD: es un coeficiente adimensional denominado coeficiente de arrastre, el cual es función del número de Reynolds del modelo. ρ : es la densidad del fluido A: es generalmente el área frontal del modelo, perpendicular al flujo, en cada caso se debe establecer con precisión el área correspondiente, en m2. V : es la velocidad media del flujo de aproximación, en m/s.

IV. MATERIALES Y EQUIPO

Canal de pendiente variable de sección

rectangular, cronómetro, aforador.

Vertedero de madera tipo cimacio,

compuerta de madera, regla, barrera de

vidrio al final del canal.

Disipadores de energía


19

V. PROCEDIMIENTO

ESTANQUES AMORTIGUADORES DE LA U.S.B.R.

1. Aforo del modelo

2. PRUEBA PARA TANQUE AMORTIGUADOR TIPO I

Luego de abrir la válvula de entrada al modelo y obtener un flujo constante; con un aforador de caudales (jarra graduada) se procede a medir hasta de tres intervalos de tiempo (s) para un mismo volumen de 4 litros.

Se instala el cuenco amortiguador tipo I para observar y comprobar tirantes.

figura-1

figura-2


20

3. TANQUE AMORTIGUADOR TIPO II

Detalles e instalación del tanque disipador.

Se miden los tirantes para Y1, Y2, Yn Y’n ,L; comprobar si la disipación de energía generada por el desnivel del vertedero de descarga.

figura-3

Y2 Y2

Y1 Y2

FLUJO DE AGUA

Yn Y2


21

Toma de medidas

NOTA:LAS MEDIDAS DE LAS PARTES DEL TANQUE AMORTIGUADOR FUERON TOMADOS PARA

TIRANTES DE RESALTO GENERADOS EN ANTERIORES PRÁCTICAS PARA UN NÚMERO DE FROUD DE

2.5-4.5 POR LO QUE EL CAUDAL A TRABAJAR NO DEBE PASAR DE 0.6 L/s EN ESTA PARTE DE LA

PRÁCTICA SE USÓ UN CAUDAL DE 0.5L/s


22

Y2 Y2

Y1 Y2

Y1= altura y ancho de los dientes

Se miden los tirantes Y1, Y2, Yn Y’n ,L; comprobar si la disipación de energía generada por el desnivel del vertedero de descarga y si el tipo de tanque es suficiente o necesita ajustar medidas .

Y2= tirante conjugado mayor. Y1 = tirante conjugado menor.

Yn = tirante normal aguas abajo.

L = Longitud del resalto

L Y2

Yn Y2

Se observa choques fuertes frente a los dados disipadores de energía esto

indica que puede generar cavitación y por ende desgaste en el concreto.

También se observa bastante turbulencia aguas abajo permitiendo la

socavación


23

4. TANQUE AMORTIGUADOR TIPO III

Detalles e instalación del tanque disipador.


24

Toma de medidas

NOTA: las medidas de las partes

del tanque amortiguador fueron

tomados para tirantes de resalto

generados en anteriores

prácticas para un número de fr>

4.5 por lo que el caudal a

trabajar no debe pasar de 1.0 L/s


25

VI. CÁLCULOS

FLUJO DE AGUA

Y2

Y1

Yn

L

Los efectos de erosión aguas debajo

de la posa es notoria por lo que es

necesario ajustar la longitud de posa


26

DISEÑO DE LAS POZAS DE AMORTIGUACION

POZA TIPO 1:

En este tanque amortiguador

solamente vamos a diseñar la longitud

de la posa (L1).

Pero a manera de comprobación, utilizaremos el nomograma de tirantes conjugados para

calcular el y2.

Así pues, haciendo uso del nomograma de

la derecha, con un Y1= 0.50 𝑐𝑚 (medido),

calculamos el y2.

Froude:

𝐹𝑟 =𝑉

√𝑔 ∗ 𝑦=

(0.001

0.137 ∗ 0.005)

√9.81 ∗ 0.005

𝐹𝑟 = 6.5

Tirantes conjugados: 𝑦2

𝑦1= 8.25 → 𝑦2 = 8.25𝑦1

𝑦2 = 4.1𝑐𝑚 ≈ y2−𝑀𝐸𝐷𝐼𝐷𝑂 = 3.95 𝑐𝑚

Luego:

Con pruebas realizadas en el canal

de pendiente variable que

tenemos en laboratorio,

obtuvimos flujos con un máximo

de caudal, aproximadamente de

1lt/seg.

Con este máximo caudal de

prueba, medimos los tirantes

conjugados, obteniendo:

Y1= 0.50 𝑐𝑚

y2= 3.95 𝑐𝑚


27

𝐿 = 6.9(𝑦2 − 𝑦1) = 6.9(4.1 − 0.5)𝑐𝑚

𝐿 = 24.8 𝑐𝑚

POZA TIPO 2: Este tipo de cuenco puede ser efectivo hasta un número de Froude tan bajo como 4.

o En principio determinamos la longitud del tanque (L), usando el nomograma siguiente:

si:

𝑦1 = 0.5 𝑐𝑚 → 𝐹𝑟 =𝑉

√𝑔∗𝑦=

(0.001

0.137∗0.005)

√9.81∗0.005

𝐹𝑟 = 6.5

Así: 𝑦2 = 4.1 𝑐𝑚 →𝐿

𝑦2= 4.1

𝐿 = 16.8 𝑐𝑚

Luego los demás parámetros serán:


28

o Espaciamiento entre dados: 𝑠1 = 𝑦1 → 𝑠1 = 0.5 𝑐𝑚

o La altura de los bloques de la rápida es igual a la profundidad 𝑦1: ℎ1 = 𝑦1 → ℎ1 = 0.5 𝑐𝑚

o La altura del umbral dentado es igual: ℎ2 = 0.2 ∗ 𝑦2 → ℎ2 = 0.82 𝑐𝑚

o El ancho y el espaciamiento máximo recomendado son: 𝑠2 = 0.15 ∗ 𝑦2 → 𝑠2 = 0.615 𝑐𝑚

o Podemos también calcular la inclinación o pendiente (𝜽)de la rápida de entrada; así:

Si: 𝐹𝑟 = 6.5 → 𝜃 = 8º

En realidad, la pendiente de la rápida, en algunos casos, tiene un efecto sobre el resalto

hidráulico. Es recomendable que la intersección aguda entre la rápida y el cuenco se

remplace por una curva de radio razonable (R ≥ 4 D1) cuando la pendiente de la rápida es

1:1 o mayor. Los bloques de la rápida pueden incorporarse a la superficie curvas con tanta

facilidad como a las planas. En rápidas empinadas la longitud de la superficie superior de los

bloques debe hacerse lo suficientemente larga como para deflectar el chorro.


29

POZA TIPO 3: Este cuenco utiliza dados en la escarpa y la solera, así como un umbral final para acortar

la longitud del cuenco, y reducir las altas velocidades dentro del menor cuenco posible.

En principio calculamos la altura de los bloques de impacto y del umbral:


30

o Altura del bloque de impacto: ℎ3 = 1.7 ∗ 𝑦1 → ℎ3 = 0.85 𝑐𝑚

o Altura del umbral final: ℎ4 = 1.3 ∗ 𝑦1 → ℎ4 = 0.65 𝑐𝑚

Luego la separación entre bloques de impacto será : 0.75 ∗ ℎ3 = 0.638 𝑐𝑚

La corona de los bloques de impacto serán:0.2 ∗ ℎ3 = 0.17 𝑐𝑚

Finalmente calculamos la longitud del tanque :

Si: 𝐹𝑟 = 6.5 → 𝐿 = 2.5 ∗ 4.1

𝐿 = 10.3 𝑐𝑚


31

VII. RESULTADOS

POZA TIPO III:

VIII. Para un Volumen de 4lts. Se midieron los siguientes tiempos de aforo:

Donde: 𝑄 =𝑉𝑜𝑙.

𝑡𝑝=

4

4.285= 0.933 𝑙𝑡𝑠.

𝑠⁄

Para los siguientes tirantes:

𝑦𝑛 = 19.7 𝑐𝑚

𝑦𝑐 = 1.3 𝑐𝑚

𝑦1 = 0.6 𝑐𝑚

𝑦2 = 2.3 𝑐𝑚


32

Para este caso se realizó una buena disipación de energía de manera eficaz, con poca turbulencia

aguas después del resalto evitando la erosión para un caso real, además se observó la elevación

del tirante aguas abajo como lo demuestra la siguiente imagen:

En cuanto al arrastre de sedimentos aguas abajo no se observó mayores cambios en la

configuración de la base del canal, debido a que se colocó material resistente (piedra), difícil de

arrastrar por el cauce de prueba, además la disipación de energía efectuada por los dados y la poza

fue buena.

POZA TIPO II:

Para un Volumen de 4lts. Se midieron los siguientes tiempos de aforo:


𝑡𝑝=

4

6.825= 0.586 𝑙𝑡𝑠.

𝑠⁄


𝑦𝑛 = 19.3 𝑐𝑚

𝑦𝑐 = 0.6 𝑐𝑚

𝑦1 = 0.4 𝑐𝑚

𝑦2 = 1.1 𝑐𝑚

En este tipo de poza se observó una buena disipación de energía de manera eficaz, reduciendo de

cierta forma la turbulencia y velocidades altas aguas abajo, en este caso se diseñó una longitud de

poza de 13 cm. Se midió la longitud del resalto que fue de 10 cm. Por lo que podemos aseverar

que el diseño se formuló de manera correcta la poza.

El arrastre de material se observó más notoriamente en este caso puesto que no se contaba con

dados en el interior de la poza que redujeran de manera significativa la energía cinética del flujo.

POZA TIPO I:

Para un Volumen de 4lts. Se midieron los siguientes tiempos de aforo:


𝑡𝑝=

4

4.463= 0.896 𝑙𝑡𝑠.

𝑠⁄


𝑦𝑛 = 19.7 𝑐𝑚

𝑦𝑐 = 1.6 𝑐𝑚

𝑦1 = 0.5 𝑐𝑚


33

𝑦2 = 1.2 𝑐𝑚

Para este caso no se produjo una buena disipación de energía, puesto que no se contaba con

ningún diente o dado deflector, produciéndose el arrastre de casi todo el material colocado aguas

abajo.

t (seg.)

𝒕𝟏 4.38 𝒕𝟐 4.69 𝒕𝟑 4.49 𝒕𝟒 4.29 𝒕𝒑 4.463

IX. CONCLUSIONES

Se diseñaron tres tipos de disipadores de energía: Poza tipo I, II y III.

Observamos la fuerza y arrastre así como la socavación que se genera en un resalto

hidráulico.

Aprendimos a identificar un salto hidráulico, clasificarlo y calcular la pérdida de energía

que genera, la longitud del mismo, asi como definir la necesidad de una estructura

disipadora de energía.

X. BIBLIOGRAFÍA

http://fluidos.eia.edu.co/obrashidraulicas/articulos/disipadores/disipadores_de_energia.ht

ml

http://www.scribd.com/doc/81688365/47/DISIPADORES-DE-ENERGIA

http://www.scribd.com/doc/40088784/DISIPACION-DE-ENERGIA

http://fluidos.eia.edu.co/obrashidraulicas/articulos/disipadores/disipadores_de_energia.html

http://fluidos.eia.edu.co/obrashidraulicas/articulos/disipadores/disipadores_de_energia.html

http://www.scribd.com/doc/81688365/47/DISIPADORES-DE-ENERGIA

Disipadores

Documents

Transcript of Disipadores