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Inicio/Termodinámica/Salto hidráulico en un canal abierto

Salto hidráulico en un canal abierto

Canal rectangular: número de Froude, profundidad crítica, profundidades conjugadas, pérdida de energía, regímenes subcrítico y supercrítico.

Canal rectangular

3 m
6 m³/s
0.55 m
0.4 ‰

Magnitudes medidas

Número de Froude Fr11.566
Régimen antes del saltosupercrítico
Profundidad crítica yc0.742m
Profundidad conjugada y20.974m
Fr después del salto0.665
Pérdida de energía ΔE0.035m

La relación de profundidades conjugadas corresponde al salto hidráulico en un canal rectangular horizontal. El esquema no incluye la fricción de las paredes en el tramo corto del salto, los detalles de la aireación, las secciones no rectangulares ni los perfiles gradualmente variados.

Gráficas

Sobre el modelo

En un canal abierto hay superficie libre, así que importan las ondas de gravedad. En un canal rectangular el número de Froude Fr = V/√(g y) separa el flujo subcrítico (Fr < 1), el régimen crítico y el flujo supercrítico (Fr > 1). Si un flujo supercrítico se ve obligado a frenar, aparece un salto hidráulico: la profundidad crece de y₁ a la profundidad conjugada y₂ y la energía mecánica se disipa en turbulencia y arrastre de aire. Se calculan el caudal por unidad de ancho, la profundidad crítica, Fr antes del salto, la profundidad conjugada, Fr después del salto y la pérdida clásica de energía. En pantalla, el perfil del canal y el diagrama de energía específica.

Para quién: Hidráulica de facultad: canales abiertos, aliviaderos, riego.

Conceptos clave

  • número de Froude
  • salto hidráulico
  • profundidad conjugada
  • profundidad crítica
  • energía específica
  • flujo supercrítico

Cómo funciona

En un canal abierto rectangular el régimen lo fija Fr = V/√(gy): si Fr < 1 el flujo es subcrítico; si Fr > 1, supercrítico. Con llegada supercrítica el salto hidráulico pasa el flujo a la profundidad conjugada y₂/y₁ = 0,5(√(1+8Fr₁²)−1), y la energía se pierde como ΔE = (y₂−y₁)³/(4y₁y₂). La profundidad crítica y_c = (q²/g)^{1/3} marca el mínimo de la energía específica.

Fórmulas principales

Fr = V / √(g y), yc = (q²/g)^(1/3), q = Q/b
y2/y1 = 0.5(√(1 + 8 Fr1²) − 1), ΔE = (y2 − y1)³/(4 y1 y2)

Preguntas frecuentes

¿Cuándo es posible un salto hidráulico?
El salto clásico exige flujo supercrítico antes del salto: Fr₁ > 1. Un flujo subcrítico ya está gobernado por las condiciones de aguas abajo y no da ese aumento brusco de profundidad.
¿Por qué el nivel del agua sube y la energía baja?
El balance de cantidad de movimiento admite una profundidad conjugada mayor, pero la turbulencia, el rodillo y el arrastre de aire disipan energía mecánica. La energía específica cae aunque la profundidad aumente.