Fundamentos del flujo en canales abiertos

Los flujos en canales abiertos son muy comunes. Entre los ejemplos típicos encontramos ríos y canales, zanjas de drenaje, cunetas, atracciones acuáticas en parques de atracciones o canalización. La fuerza motriz de estos flujos normalmente turbulentos es la gravitación. Una característica de los flujos en canales abiertos es su superficie libre. En comparación con los flujos en tuberías, los flujos en canales abiertos tienen un mayor grado de libertad gracias a la superficie libre.

Básicamente existen dos tipos de flujo en canales abiertos:

  • flujo uniforme (la profundidad de descarga (profundidad del agua) permanece igual; aceleración=deceleración)

  • flujo variado (la profundidad de descarga varía debido a la aceleración o deceleración)

La descarga puede ser subcrítica (denominada también “lenta”), crítica o supercrítica (denominada también “torrencial”).

1 descarga bruscamente variada bajo una compuerta, 2 descarga gradualmente variada, 3 resalto hidráulico (bruscamente variado), 4 desbordamiento de vertedero (flujo bruscamente variado), 5 descarga gradualmente variada, 6 descarga gradualmente variada en un cambio de pendiente

Perfiles de canal típicos

En la mayoría de los casos se puede reproducir aproximadamente la sección transversal correspondiente de un flujo en canales abiertos con pocos perfiles geométricos. Tanto circulares como semicirculares, rectangulares, trapezoidales, como también las combinaciones de los mismos son ideales para poder modelar y calcular matemáticamente el canal. A menudo es importante determinar la descarga Q y la profundidad de descarga h en puntos definidos. Las variables típicas de los cálculos son el área de caudal A, el perímetro mojado P y el radio hidráulico R.

En el caso de una sección rectangular, las variables se definen del modo siguiente:

  • área de caudal A=bh

  • perímetro mojado P=b+2h

  • radio hidráulico R=A/P=bh/(b+2h)

En canales anchos y poco profundos, el radio hidráulico R corresponde a la profundidad de descarga h.

En el caso de canales artifi ciales, el llamado perfil hidráulico óptimo es una variable importante – un diseño óptimo del perfil ahorra material y costes:

  • descarga Q + pendiente de línea de energía J dadas: determinación del área de caudal A mínima

  • descarga Q + área de caudal A dadas: determinación de la pendiente de línea de energía J mínima.

Secciones transversales hidráulicas óptimas de canal

En el caso del perímetro mojado más pequeño, basado en el área dada, se habla de sección transversal hidráulica óptima.

Rectángulo, trapecio con ángulos de 60°, triángulo; h profundidad de descarga, b anchura del canal

El canal abierto del HM 250.11 tiene una sección transversal rectangular.