Al analizar las comodidades y necesidades de nuestra vida diaria, es asombroso notar el papel que juegan los conductos y tuberías para el transporte de fluidos, por ejemplo, toda el agua que usamos en nuestras casas se bombea a través de tuberías para que esté disponible en el grifo. El flujo de agua en un conducto puede ser flujo en canal abierto o flujo en tubería. El flujo en canal abierto debe tener una superficie libre, en tanto que el flujo en tubería no la tiene, debido a que en este caso el agua debe llenar completamente el conducto. El flujo en un conducto cerrado no es necesariamente flujo en tuberías si tiene una superficie libre, puede clasificarse como flujo en canal abierto.
Definición y clasificación del flujo permanente
El flujo de fluidos puede ser permanente o no permanente; uniforme o no uniforme; laminar o turbulento; unidimensional, bidimensional o tridimensional, y rotacional o irrotacional. El parámetro tiempo es aquel que nos relaciona los cambios que se pueden presentar en el flujo de un fluido en un tiempo determinado. El flujo permanente tiene lugar cuando, en un punto cualquiera, la velocidad de las sucesivas partículas que ocupan ese punto en los sucesivos instantes es la misma. Se dice que el flujo en un canal abierto es permanente si la profundidad del flujo no cambia o puede suponerse constante durante el intervalo de tiempo en consideración. El flujo es permanente si los parámetros (tirante, velocidad, área, etc.), no cambian con respecto al tiempo, es decir, en una sección del canal en todos los tiempos los elementos del flujo permanecen constantes.
A partir del criterio del espacio, el flujo permanente en canales abiertos puede clasificarse en diferentes tipos:
- Flujo uniforme permanente: El flujo uniforme tiene lugar cuando el módulo, la dirección y el sentido de la velocidad no varían de un punto a otro del fluido. Se dice que el flujo en canales abiertos es uniforme si la profundidad del flujo es la misma en cada sección del canal. El flujo uniforme permanente es el tipo de flujo fundamental que se considera en la hidráulica de canales abiertos. La profundidad del flujo no cambia durante el intervalo de tiempo bajo consideración.
- Flujo variado permanente: El flujo es variado si la profundidad de flujo cambia a lo largo del canal. El flujo variado puede ser permanente o no permanente. Este se clasifica a su vez en:
- Flujo gradualmente variado: cuando la profundidad del agua cambia de manera suave a lo largo del canal.
- Flujo rápidamente variado: si la profundidad del agua cambia de manera abrupta en distancias comparativamente cortas, también conocido como fenómeno local.
Propiedades y comportamiento del flujo
El estado o comportamiento del flujo en canales abiertos está gobernado básicamente por los efectos de viscosidad y gravedad en relación con las fuerzas inerciales del flujo. El flujo puede ser laminar, turbulento o transaccional según el efecto de la viscosidad en relación de la inercia.
En el flujo laminar las partículas fluidas se mueven según trayectorias paralelas, formando junto de ellas capas o láminas. El flujo turbulento se caracteriza por la acción de mezclado en todo el campo, debido a remolinos o torbellinos de tamaño variable que se forman en el fluido. Asimismo, el efecto combinado de la viscosidad y la gravedad puede producir cualquiera de cuatro regímenes de flujo: subcrítico-laminar, supercrítico-laminar, subcrítico-turbulento y supercrítico-turbulento.
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Comparativa de regímenes de flujo según su comportamiento
La siguiente tabla resume las principales diferencias entre los tipos de flujo en función de la velocidad, la profundidad de la lámina de agua y el número de Froude:
| Régimen de Flujo | Fuerzas Dominantes | Velocidad y Pendiente | Profundidad de la Lámina | Número de Froude (F) |
|---|---|---|---|---|
| Subcrítico | Gravitacionales | Bajas | Mayores | F < 1 |
| Crítico | Equilibrio inercial/gravitacional | Estado límite | Estado intermedio | F = 1 |
| Supercrítico | Inerciales | Altas | Bajas (más pequeñas) | F > 1 |
El número de Froude se usa para caracterizar el flujo subcrítico o supercrítico. Para este régimen de flujo subcrítico las fuerzas inerciales son sobrepasadas en importancia por las gravitacionales; en el flujo se tienen velocidades y pendientes bajas, pero las profundidades de la lámina del agua, por el contrario, son mayores. En el flujo supercrítico, las fuerzas inerciales presentan una influencia mucho mayor que las fuerzas gravitacionales, y el flujo se presenta a velocidades y pendientes altas, y a profundidades más pequeñas.
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