T01 hidraulica

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conceptos y formulas basicas de la hidraulica

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  • 1. HIDRÁULICA Parte de la física que estudia el comportamiento mecánico del agua superficial o subterránea Carácter pluridisciplinar RELACIÓN CON OTRAS CIENCIAS Hidrología (aguas continentales) Hidrometeorología (lluvia) Hidrografía (descripción de los mares y corrientes de agua) Ingeniería ambiental
  • 2. HIDRÁULICA Sistemas de unidades utilizados (Mecánica Clásica) Propiedades del agua:  Densidad y peso específico  Coeficiente de compresibilidad  Viscosidad  Tensión de saturación del vapor de agua  Celeridad de las ondas elásticas
  • 3. HIDRÁULICA Densidad: ρ = 1.000 kg masa/ m3 (Sistema Internacional) Peso específico: γ = 9.810 N / m3  10.000 N / m3 (Sistema Internacional) Coeficiente de compresibilidad  = - (dV/V) / dp Módulo de elasticidad volumétrico: Ke = - dp / (dV/V) Ke = 21,39 x 108 N / m2 para 20ºC Prácticamente invariable con la temperatura y con la presión
  • 4. HIDRÁULICA Viscosidad  =  (dv/dy) En fluidos newtonianos la viscosidad absoluta  es independiente gradiente de velocidad (velocidad de deformación angular (dv/dy)) y solo depende de la temperatura y muy poco de la presión (AGUA) Viscosidad cinemática =/ 1,57 x 10-6 m2/s para una temperatura de 4ºC y 1,01 x 10-6 para 20ºCTensión de saturación del vapor de agua A 20ºC 0,238 m.c.a. Celeridad de las ondas elásticas: Variable
  • 5. HIDRÁULICA Consideraciones a tener en cuenta en problemas hidráulicos (Formulación físico-matemática, coeficientes experimentales) a) Comparación de condiciones generales y particulares b) Aplicación del coeficiente empírico adecuado c) Utilización de ábacos (condicionada por b)  COEFICIENTES EXPERIMENTALES  De fricción Darcy-Weisbach (f). (Se aplica a tuberías en presión)  De rugosidad de Manning (n). (Cauces abiertos, conductos parcialmente llenos)
  • 6. HIDRÁULICA COEFICIENTES EXPERIMENTALES De Manning-Strickler (M). (Tiene en cuenta la rugosidad de las paredes de la conducción) De rugosidad de Bazin (ã). (Mismos casos que Manning). De rugosidad de Chezzy (C). (Mismos casos que los anteriores). Coeficiente de contracción (c). (Estrechamiento en la sección de paso del agua). Coeficiente de Weisbach (k). (Apertura o cierre de válvulas, compuertas).
  • 7. HIDRÁULICA COEFICIENTES EXPERIMENTALES Coeficiente de pérdidas en bifurcaciones (k). (Tiene en cuenta el ángulo con el que se produzca la bifurcación. Coeficiente de Saint-Venant para pérdidas en codos y curvas (k). (Depende del ángulo que formen las dos alineaciones de la tubería). Coeficiente para cambio de sección. (Ensanches y estrechamientos de tuberías). Coeficiente de pérdida de carga en el desagüe.
  • 8. INGENIERÍA HIDRÁULICA APLICACIONES Aprovechamientos hidroeléctricos Aprovechamientos industriales Aprovechamientos sanitarios (*) Aprovechamientos agrícolas OBRAS HIDRÁULICAS  Captación y regulación (Presas, azudes, pozos)  Transporte  Uso (Centrales hidroeléctricas, Redes)  Obras de uso múltiple
  • 9. INGENIERÍA HIDRÁULICA USOS DEL AGUA Utilización integral de una cuenca hidrográfica y una unidad hidrogeológica USOS COMPATIBLES USOS COMPLEMENTARIOS USOS ALTERNATIVOS O INCOMPATIBLES (La legislación prevé una preferencia según la repercusión social: primero abastecimientos o poblaciones, segundo riegos, tercero energía y usos industriales). USOS DEL AGUA  Consuntivos  No Consuntivos
  • 10. INGENIERÍA HIDRÁULICA USOS DEL AGUA USOS NO CONSUNTIVOS HIDROELÉCTRICOS (Retorno 100 % sin alteración de la calidad) NAVEGACIÓN (Retorno 100% posible alteración de la calidad) RECREATIVOS USOS CONSUNTIVOS RIEGO (Retorna 0-50% con retraso y en puntos no definidos) ABASTECIMIENTOS (Retorna 65-70% sin calidad) RECREATIVOS
  • 11. INGENIERÍA HIDRÁULICA EFECTOS DE LAS OBRAS HIDRÁULICAS UNA OBRA HIDRÁULICA SIGNIFICA POR SÍ UNA ALTERACIÓN DE LA NATURALEZA PERTURBACIÓN EN EL PAISAJE MODIFICACIÓN DE LAS CONDICIONES DEL HÁBITAT FLUVIAL QUE OCASIONAN CAMBIOS EN LA FLORA Y FAUNA CIRCUNDANTE
  • 12. INGENIERÍA HIDRÁULICA ETAPAS DEL DESARROLLO HIDRÁULICO Desarrollo Inconexo o “De Oportunidad” Es el período durante el cual se considera que hay agua sobrada para las necesidades. No se cuida su utilización. Según la bibliografía se considera que esta fase dura hasta utilizar el 50% de los recursos disponibles. Desarrollo IntegralEl agua ya no es sobrada para las necesidades. Ello obliga a prever y ordenar su uso óptimo. Las cuencas hidrográficas y las unidades hidrogeológicas se estudian como un conjunto y se proyectan las obras de forma que se obtengan usos variados y con la mejor utilización total, sacando el máximo partido posible a las obras de regulación. Esta etapa suele durar hasta la utilización de un 80% de los recursos naturales.
  • 13. INGENIERÍA HIDRÁULICA ETAPAS DEL DESARROLLO HIDRÁULICO Superaprovechamiento Se sobrepasa la utilización de alrededor del 80% de los recursos naturales. Preciso extremar aún más la ordenación del uso del agua y la coordinación entre recursos y usos. Nos aproximamos al límite de posibilidades. Para ello se reforman las obras existentes y se recurre a lostrasvases de cuencas, a la desalinización del agua del mar, a la depuración de las aguas, a la recarga de acuíferos, a controlar la intrusión marina en los acuíferos. Por todos estos motivos esta etapa se llama también de aprovechamiento integral.
  • 14. HIDROSTÁTICAParte de la hidráulica que estudia el comportamiento del agua en estado de reposo PRESIÓNComponente normal de la fuerza que actúa sobre la superficie de un determinado volumen de agua por unidad de área del mismo p=F/S p=xgxh pabs = prelativa + pabsoluta
  • 15. HIDROSTÁTICA PRINCIPIO DE PASCALSi se ejerce una presión cualquiera en la superficie de un líquido en equilibrio, esta presión se transmite íntegramente en todos los sentidos es decir, a todas las moléculas del líquido PRESIÓN SOBRE UNA PARED PLANALa presión que los líquidos ejercen contra una pared plana, es siempre normal a ella, cualquiera que sea su orientación
  • 16. HIDROSTÁTICA EMPUJEFuerza total que está soportando una superficie de contorno, forma y dimensiones determinados PRESIÓN MEDIA La Presión Media se obtiene dividiendo la presión total o empuje, por el área de la superficie estudiada
  • 17. HIDROSTÁTICAPAREDES PLANAS SOPORTANDO PRESIÓN HIDRÁULICAUn cuerpo que se halla totalmente sumergido tiene todos los puntos de su superficie externa sometidos a presión hidrostática. El cuerpo trabajará mecánicamente a compresiónSi debido a la disposición constructiva, el cuerpo plano sólo soporta presión por una cara (compuertas planas o muros en depósitos), la única presión actuante someterá a la compuerta a esfuerzos de flexión y corte: ha de resistir como una viga o como una placa
  • 18. HIDROSTÁTICA FLOTACIÓN Principio de Arquímedes Todo cuerpo inmóvil sumergido total o parcialmente en un fluido, sufre un empuje de abajo arriba, equivalente al peso del fluido desalojado. Este empuje se aplica en el centro de gravedad del volumen del fluido desalojado.Condiciones de equilibrio de los cuerpos flotantes Si se sumerge en el agua un cuerpo de densidad inferior a ella, éste se elevará hacia la superficie hasta quedar flotando en una posición de equilibrio. La subpresión (flotando) será igual al peso del líquido desplazado, y actuará en el centro de gravedad del volumen desplazado, punto llamado centro de carena.Se representa por G el c. de g. del cuerpo flotante, y por C el c. de carena.
  • 19. HIDROSTÁTICA FLOTACIÓNRecíproco del Principio de Arquímedes Todo cuerpo sumergido en un líquido pesado, en equilibrio estático, ejerce sobre el líquido una presión vertical de arriba abajo, igual al peso del volumen de líquido desalojado
  • 20. HIDRODINÁMICA Parte de la hidráulica que estudia el comportamiento mecánico del agua en movimiento CLASIFICACIÓN DE LOS FLUJOSSegún las variaciones de las magnitudes hidráulicas (veloc.media y presión) en el tiempo y el espacio (eje de la conducción).• Régimen permanente (Q constante) Régimen permanente uniforme (V=cte en tiempo y espacio) Régimen permanente variado (V=cte en tiempo, no en espacio)- - Gradualmente variado - Bruscamente variado • Régimen variable o transitorio (Q variable, V variable) Golpe de ariete / Oscilación en masa
  • 21. HIDRODINÁMICA ECUACIÓN DE CONTINUIDADExpresión matemática consecuencia del principio de conservación de masa:Dado un tubo de fluido cualquiera, por unidad de tiempo ingresa en él la misma cantidad de fluido en un extremo que sale por el otro extremo. S1 v1 = S2 v2 Caudal = Sección x velocidad Variaciones de sección en tubos implicarán variaciones en la velocidad del agua
  • 22. HIDRODINÁMICA NÚMERO DE REYNOLDSClasificación de las corrientes de agua generadas por el grado de turbulencia: Corrientes laminares Las partículas del líquido recorren trayectorias rectas y paralelas entre sí Corrientes turbulentas Movimiento desigual de cada partícula (Pérdidas de energía) Movimiento laminar < velocidad crítica < Movimiento turbulentoLa velocidad crítica depende del diámetro del tubo y del valor de la densidad y viscosidad del fluido.Para cualquier fluido se presentan las condiciones críticas cuando el llamado número de Reynolds, que es adimensional, supera a un valor experimental del orden de 2.300
  • 23. HIDRODINÁMICA NÚMERO DE REYNOLDS Re =  * V * D /  Dado que =/ El número de Reynolds en función de la viscosidad cinemática será: Re = V * D / Por tanto la velocidad crítica se obtiene Re = 2.300 = Vc * Dc / 
  • 24. HIDRODINÁMICA TEOREMA DE BERNOUILLIEnergía del Agua Potencial: Por su altura sobre el nivel del mar Ep = P * z Cinética: Por su velocidad Ec = m * v2 / 2 = P * v2 / 2 g De presión: Por el peso del agua que tiene encima, o sea, por su profundidad respecto del nivel libre superior Epr = p * s * e = P * p / Habiendo tenido en cuenta que: Peso = P = Volumen * peso específico = S * e * ; e = P /(S * )
  • 25. HIDRODINÁMICA TEOREMA DE BERNOUILLIEnergía del Agua Las energías calorífica y elástica pueden despreciarse en hidráulica Etotal = Epotencial + Ecinética + EpresiónEnergía por unidad de peso: Potencial: Ep = P * z E=z Cinética: Ec = P * v2 / 2 g E = v2 / 2 g De presión: Epr = P * p /  E=p/
  • 26. HIDRODINÁMICA TEOREMA DE BERNOUILLI Es una relación matemática de las condiciones energéticas que definenuna corriente permanente de un líquido. Para llegar al teorema se parte delprincipio de la conservación de la energía mecánica en un sistema cerrado,utilizándose en este caso el concepto de energía por unidad de peso. Energía inicial = energía en cualquier instante = cte zo + po / + vo 2 / (2 * g) = zn + pn / + vn2 / (2 * g) = constante
  • 27. HIDRODINÁMICA CARGA HIDRÁULICA La carga hidráulica es la energía por unidad de peso: Carga hidráulica = h = z + p /  + v2 / (2 * g) Plano de carga o carga hidráulica es el nivel de energía más alto de la conducción, el cual se encuentra siempre en el origen, debido a las pérdidas de carga que sufre el agua en su desplazamiento. La diferencia, constante existente entre el plano de carga y plano decomparación se denomina altura de Bernouilli HB
  • 28. HIDRODINÁMICA PÉRDIDAS DE CARGA Energía inicial = Energía en un estado posterior + Eperdida TEOREMA DE BERNOUILLI GENERALIZADO zo + po / + vo 2 / (2 * g) = zn + pn / + vn2 / (2 * g) + h = constantePérdidas h: • Debidas al rozamiento ordinario a lo largo de la conducción • Producidas en las singularidadeshB = J1 * L1 + J2 * L2 + ……+ Jn * Ln + hsingularidad = (J * L) + hsingularidad
  • 29. HIDRODINÁMICA LINEA PIEZOMÉTRICAEs una línea ideal representativa de la altura o nivel de presión existente en cada punto de la conducción Línea Piezométrica = h = z + p /  Conducciones por gravedad: h = z Conducciones a presión: h = z + p /  LINEA DE ENERGÍAEs una línea ideal representativa del nivel de energía real, es decir, el plano de carga particular que existe en cada punto.Se obtiene restando del plano de carga inicial, el valor de las pérdidas de carga habidas por toda causa entre el origen y el punto considerado.
  • 30. HIDRODINÁMICA Entre la línea piezométrica y la línea de energía, queda, en cualquier punto, una distancia o altura vertical correspondiente a la velocidad con que fluye el punto líquido considerado: es el sumando V2 / (2 * g) de la suma de Bernouilli.RÉGIMEN PERMANENTE A SECCIÓN CONSTANTE Las líneas piezométricas y de energía son paralelas: las separa en todo momento la altura representativa de una velocidad constante.APARICIÓN DE SINGULARIDAD SIN CAMBIO DE DIÁMETRO Bajada brusca de ambas líneas, que equivale a la pérdida de carga prácticamente instantánea por la singularidadCAMBIO DE DIÁMETRODisminución de sección: La línea piezométrica baja mucho más que la de energía. Separación de las líneasAumento de sección: Acercamiento de las líneas
  • 31. HIDRODINÁMICAEl eje hidráulico de una conducción cerrada da las alturas geométricas o cotas z de cada punto representativo de la conducción. El eje hidráulico de una corriente abierta (canal), es de muy distinta naturaleza porque equivale a la línea piezométrica (nivel libre).La coincidencia entre la línea piezométrica y la línea de energía sólo se produce en condiciones hidrostáticas zA + pA / = zB + pB / 
  • 32. HIDRODINÁMICA NIVEL FREÁTICO Ccncepto ligado a las aguas subterráneas.El nivel freático es la superficie que separa la zona saturada de agua de la no saturada de agua en un medio poroso y por tanto se encuentra siempre a la presión atmosférica. Este concepto sólo se utiliza cuando nos encontramos con acuíferos libres, pues son los únicos en los que la presión de este nivel es la atmosférica. En otro tipo de almacenamiento de aguas subterráneas se tiene que hablar de nivel piezométrico y no freático, pues la presión de la superficie libre es distinta de la atmosférica.