TIPOS DE FLUJOS EN CANALES

Generalidades 

Flujo en canales y tuberías. 

las principales diferencias entre canales y tuberías son las siguientes:

en el canal el Huido tiene una superficie libre que está en contacto con la atmósfera; en la tubería el líquido está confinado y sometí do a una cierta presión (a veces esta presta es negracuba). 

• en el canal el conducto puede ser abierto o cerrado; en la tubería el conducto es siempre cerrado. 
• en el canal el líquido escurre por gravedad; en la tubería el líquido escurre porque hay un gradiente de energía. 

Cuando se dice ¨tuberia¨ queda entendido que el conducto es circular. Las fondas más comunes de canales son la trapezoidal. la rectangular, la triangular y la circular.

Clasificación de flujos 

Desde el punto de vista práctico, resulta adecuado establecer una clasificación de tipos de flujo (Chow, 1982) tal que, con auxilio de una serie de suposiciones simplificatorias, permita hacer una distinción de las diferentes formas o estados en que se presenta el flujo a superficie libre en la realidad. El flujo unidimensional a superficie libre puede ser clasificado con base en diferentes criterios, la más aceptada y conocida es posiblemente la siguiente:

a) Flujo permanente

Las características hidráulicas (velocidad, tirante y gasto) en cualquier sección transversal del canal permanecen constantes todo el tiempo o durante un lapso específico.

b) Flujo no permanente 

Las características hidráulicas en una sección transversal varían de un instante a otro.

c) Flujo uniforme 

Las características hidráulicas permanecen constantes a lo largo del canal. Este tipo de flujo se puede presentar en la práctica solamente en estado permanente.

d) Flujo variado 

La velocidad media y el tirante cambian a lo largo del canal:  

En este tipo de flujo existe una subclasificación.

La diferencia principal entre un flujo gradualmente variado y otro rápidamente variado radica en que para el primer caso se presenta una variación gradual de los tirantes a lo largo del canal y en el segundo caso dicha variación se presenta bruscamente entre dos secciones consecutivas o en un tramo muy corto (caso típico de un salto hidráulico).

e) Flujo laminar y turbulento 

Con relación a la influencia de la viscosidad, el flujo puede ser laminar, de transición o turbulento. La influencia de la viscosidad se mide a través del número de Reynolds.

El flujo turbulento tiene lugar si predominan las fuerzas de inercia sobre las vIscosas. El valor del Re a partir del cual el flujo es decididamente turbulento no tiene un valor definido, pero si se toma como referencia el valor 4,000 que rige para tuberías el valor correspondiente en ca naTes resulta 1,000.

Se llama flujo laminar al tipo de movimiento de un fluido cuando éste es perfectamente ordenado, estratificado, suave, de manera que el fluido se mueve en láminas paralelas sin entremezclarse. Las capas adyacentes del fluido se deslizan suavemente entre sí. El mecanismo de transporte es exclusivamente molecular. Se dice que este flujo es aerodinámico. Ocurre a velocidades relativamente bajas o viscosidades altas como veremos. 

Se llama flujo turbulento cuando se hace más irregular, caótico e impredecible, las partículas se mueven desordenadamente y las trayectorias de las partículas se encuentran formando pequeños remolinos aperiódicos. Aparece a velocidades altas o cuando aparecen obstáculos abruptos en el movimiento del fluido.

f) Flujo subcrítico y supercrítico 

Por lo que se refiere a la preponderancia de las fuerzas gravitatorias, existe también una clasificación, la cual queda definida por el número de Froude.

Se llama velocidad critica ala velocidad de traslacion de una onda elemental de gravedad generada en un canal. Cuando la velocidad media delliquido en el canales igual a la velocidad critica el flujo se denomina critico. Si la velocidad media del liquido es mayor que la crftica el flujo se llama supercrftico y si es menor que la critica subcritico.

Las cuatro bases de clasificacion del flujo en canales definidos anteriormente son independientes y un problema de flujo en canales cumple con un casa de cada una de las cuatro clasificaciones, sin embargo hay combinaciones de las diferentes clasificaciones que no son fisicamente posibles. Por ejemplo el flujo uniforme no permanente es fisicamente imposible porque si existiera la superficie del liquido tend ria que variar con el tiempo permaneciendo paralela al fondo del canal 10 cual es imposible en la realidad. 

En la mayoria de los casas de flujo libre el flujo es turbulento. EI flujo libre laminar se presenta en muy pocos casos por ejemplo en drenaje de aguas lluvias en superficies planas en capas de muy poco espesor.

Flujo interno en comparación con el externo 

 Un flujo de un fluido se clasifica como interno o externo, dependiendo de si a ese fluido se le obliga a fluir en un canal confinado o sobre una superficie. El flujo de un fluido no limitado sobre una superficie, como una placa, un alambre o un tubo, es flujo externo. El flujo en un tubo o ducto es flujo interno si el fluido queda por completo limitado por las superficies sólidas. Por ejemplo, el flujo de agua en un tubo es flujo interno y el flujo de aire sobre una pelota o sobre un tubo expuesto durante un día de viento constante es flujo externo (Fig. 1-16). El flujo de líquidos en un ducto se conoce como flujo en canal abierto si ese ducto sólo está lleno en forma parcial con el líquido y se tiene una superficie libre. Los flujos de agua en los ríos y zanjas de irrigación son ejemplos de estos flujos.

Los flujos internos están dominados por la influencia de la viscosidad en todo el campo de flujo. En los flujos externos, los efectos viscosos quedan limitados a la capa límite cercana a las superficies sólidas y a las regiones de la estela corriente abajo de los cuerpos.

Flujo compresible en comparación con el incompresible 

Un flujo se clasifica como compresible o incompresible, dependiendo del nivel de variación de la densidad del fluido durante ese flujo. La incompresibilidad es una aproximación y se dice que el flujo es incompresible si la densidad permanece aproximadamente constante a lo largo de todo el flujo. Por lo tanto, el volumen de todas las porciones del fluido permanece inalterado sobre el curso de su movimiento cuando el flujo (o el fluido) es incompresible. En esencia, las densidades de los líquidos son constantes y, así, el flujo de ellos es típicamente incompresible. Por lo tanto, se suele decir que los líquidos son sustancias incompresibles. Por ejemplo, una presión de 210 atm hace que la densidad del agua líquida a 1 atm cambie en sólo 1 por ciento. Por otra parte, los gases son intensamente compresibles. Por ejemplo, un cambio de presión de sólo 0.01 atm causa un cambio de 1 por ciento en la densidad del aire atmosférico. 

Cuando se analizan los cohetes, las naves espaciales y otros sistemas en los que intervienen flujos de gas a velocidades altas, la velocidad del flujo a menudo se expresa en términos del número adimensional de Mach que se define como en donde c es la velocidad del sonido cuyo valor es de 346 m/s en el aire a temperatura ambiente al nivel del mar. 

Los flujos de líquidos son incompresibles hasta un nivel alto de exactitud, pero el nivel de variación en la densidad en los flujos de gases y el nivel consecuente de aproximación que se hace cuando se modelan estos flujos como incompresibles depende del número de Mach. Con frecuencia, los flujos de gases se pueden aproximar como incompresibles si los cambios en la densidad se encuentran por debajo del 5 por ciento, lo cual suele ser el caso cuando Ma menor a 0.3. Por lo tanto, los efectos de la compresibilidad del aire se pueden despreciar a velocidad por debajo de alrededor de 100 m/s. Nótese que el flujo de un gas no es necesariamente uno compresible. 

Los pequeños cambios en la densidad de los líquidos correspondientes a cambios grandes en la presión todavía pueden tener consecuencias importantes. Por ejemplo, el irritante “golpe de ariete” en un tubo de agua es causado por las vibraciones del tubo generadas por la reflexión de ondas de presión que se presentan después del cierre repentino de las válvulas.

Flujo laminar en comparación con el turbulento

Algunos flujos son suaves y ordenados en tanto que otros son considerados caóticos. El movimiento intensamente ordenado de un fluido, caracterizado por capas no-alteradas de éste se menciona como laminar. La palabra laminar proviene del movimiento de partículas juntas adyacentes del fluido, en “láminas”. El flujo de los fluidos intensamente viscosos, como los aceites a bajas velocidades, por lo general es laminar. El movimiento intensamente desordenado de un fluido, que es común se presente a velocidades altas y se caracteriza por fluctuaciones en la velocidad se llama turbulento (Fig. 1-17). El flujo de fluidos de baja viscosidad, como el aire a velocidades altas es por lo común turbulento. El régimen de flujo influye significativamente en la potencia requerida para el bombeo. Un flujo que se alterna entre laminar y turbulento se conoce como de transición. Los experimentos conducidos por Osborn Reynolds en la década de 1880 dieron como resultado el establecimiento del número adimensional de Reynolds, Re, como el parámetro clave para determinar el régimen de flujo en los tubos.