Ingeniería Hidráulica

La Ingeniería Hidráulica es la rama de la ingeniería que se ocupa de la producción y ejecución de obras relacionadas con el agua, incluyendo canalización, potabilización e irrigación. Abarca la construcción de obras como diques, presas, esclusas y rompeolas.

Ramas de la Ingeniería Hidráulica

Ingeniería Fluvial: Estudia las intervenciones del hombre sobre los ríos.

Ingeniería Sanitaria: Se ocupa del diseño, construcción y operación de sistemas de abastecimiento de agua potable, sistemas de alcantarillado sanitario, plantas de tratamiento de aguas residuales y sistemas de gestión integral de residuos sólidos.

Clasificación del Flujo

Tipos de Flujo

1) Flujo Turbulento: Este tipo de flujo es el más común en la práctica de ingeniería. Las partículas del fluido se mueven en trayectorias erráticas e irregulares.

Factores que Causan Turbulencia:

  • Alta rugosidad superficial de la superficie de contacto.
  • Alta turbulencia en el flujo de entrada.
  • Calentamiento de la superficie por el fluido.

2) Flujo Laminar: Se caracteriza por el movimiento de las partículas del fluido en trayectorias regulares, separadas y definidas, como láminas que se deslizan suavemente.

3) Flujo Incompresible: Aquel en el que los cambios de densidad son despreciables.

Nota: Si la densidad es constante, el flujo es incompresible.

4) Flujo Compresible: Aquel en el que los cambios de densidad no son despreciables.

5) Flujo Permanente o Estacionario: Las condiciones de velocidad en cualquier punto no cambian con el tiempo.

6) Flujo No Permanente o No Estacionario: Las propiedades del fluido varían de un punto a otro.

7) Flujo Uniforme: El vector velocidad es idéntico en magnitud y dirección en todos los puntos.

8) Flujo No Uniforme: Contrario al flujo uniforme, se encuentra cerca de fronteras sólidas debido a la viscosidad.

9) Flujo Unidimensional: El vector velocidad depende de una sola variable espacial.

10) Flujo Bidimensional: El vector velocidad depende de dos variables espaciales.

11) Flujo Tridimensional: El vector velocidad depende de tres variables espaciales.

12) Flujo Ideal: Flujo incompresible, sin fricción y no viscoso.

Conceptos Clave

Velocidad Crítica

Velocidad por debajo de la cual la turbulencia es amortiguada por la viscosidad.

Número de Reynolds

Parámetro adimensional que indica si el flujo es laminar (Re < 2000) o turbulento (Re > 4000).

Ecuación de Darcy-Weisbach

Ecuación general para la resistencia de fluidos en tuberías circulares, basada en las leyes de Newton.

Rugosidad Relativa

Relación entre la rugosidad absoluta de la tubería y su diámetro.

Diagramas de Nikuradse y Moody

Presentan el factor de fricción de Darcy en función de la rugosidad relativa y el número de Reynolds.

Ecuación de Colebrook-White

Describe el factor de fricción de Darcy en función de la rugosidad absoluta y el número de Reynolds.

Esfuerzo Cortante

Fuerza por unidad de área en la superficie interna de la tubería debido a la viscosidad.

Distribución de Esfuerzos

Distribución lineal de los esfuerzos cortantes en la sección transversal de la tubería.

Distribución de Velocidades

Distribución parabólica en flujo laminar y logarítmica en flujo turbulento.

Capa Límite

Zona cercana a una superficie sólida donde el flujo es afectado por efectos viscosos.

Flujo Turbulento Hidráulicamente Liso

El espesor de la subcapa laminar es mayor que la rugosidad (K < 0.3058).

Flujo Turbulento Hidráulicamente Rugoso

La rugosidad es mayor que el espesor de la subcapa laminar (k > 6.105).

Flujo Turbulento Transicional

La rugosidad se encuentra entre límites específicos (0.3068 < k < 6.105).

Subcapa Laminar Viscosa

Parte de la capa límite turbulenta que atenúa las vibraciones.

Sistemas de Tuberías

Tuberías en Serie

Tuberías con características diferentes conectadas en secuencia. El caudal es el mismo en cada tubería.

Criterio de L-pai Wu

Criterio para el diseño de tuberías en serie.

Tuberías en Paralelo

Tuberías conectadas entre dos nodos comunes. Las alturas piezométricas son iguales.

Diseño de Tuberías en Paralelo

Se utiliza para aumentar la confiabilidad del sistema o reforzar tuberías existentes.