Las obras de régimen libres son aquellas construcciones naturales o artificiales que a diferencia a las obras de régimen forzado el caudal ejerce presión en las paredes del conducto, pero otra parte, esta en contacto con la atmosfera como se observa en la figura 1.
Figura 1. Formas de conducciones libres.
Las conducciones libres tienen una gran aplicación; por ejemplo: los sistemas de riego y drenaje, las conducciones de agua para acueductos o para industrias, los alcantarillados de nuestras poblaciones y otros.
Clasificación de canales.
En un proyecto de conducción libre la parte que comprende el diseño de los canales son de vital importancia en el costo de la obra, pero no es lo más importante, ya que el caudal es un factor clave en el diseño, siendo el más importante a tener en consideración, es un parámetro que se obtiene sobre la base del tipo de suelo, plantaciones, condiciones climáticas, métodos de riego, etc., es decir, mediante la conjunción de la relación agua – suelo – planta y la hidrología, de manera que teniendo en cuenta estos elementos en la planificación de canales el diseñador tendrá una visión más amplia y será más eficiente, motivo por el cual todo ingeniero destaca y predomina el canal en un proyecto de irrigación.
Las conducciones libres pueden clasificarse de diferentes formas, según los criterios que se utilicen.
- Naturales: Incluyen todos los cursos de agua que existen de manera natural en la tierra, los cuales varían en tamaño desde pequeños arroyuelos en zonas montañosas, hasta quebradas, arroyos, ríos pequeños y grandes y estuarios de mareas.
- Artificiales: Son aquellos construidos o desarrollados mediante el esfuerzo humano: canales de vegetación, canales de centrales hidroeléctricas, canales y canaletas de irrigación, cunetas de drenaje, vertederos, canales de desborde, canales de madera, etc. Así como canales de modelos construidos en el laboratorio con propósitos experimentales.
- Prismáticas: Aquellas cuya sección transversal no varía a lo largo de la conducción.
- No Prismáticas: Tienen una forma geométrica diferente en cada sección transversal.
- Según el uso a que se destine: Canales naturales, de drenajes, de navegación, conductores (magistrales), etc.
Desde otro punto de vista, las conducciones libres pueden clasificarse según el caudal de agua que conduzcan, en:
| Pequeñas | Q< 0.5m3/s | y< 0.6m |
| Medias | 0.5 ≤Q< 3.0m3/s | 0.6 ≤y< 1.2m |
| Grandes | 3.0 ≤Q< 10.0m3/s | 1.2 ≤ y< 1.6m |
| Muy grandes | Q≥ 10.0m3/s | y≥ 1.6m |
Por otro lado, teniendo en cuenta los objetivos de la conducción, el especialista búlgaro Filiov clasifica las conducciones y recomienda en cada caso las probabilidades de diseño según su objetivo, construcción y explotación (tablas 1, 2y 3).
(Tabla 1) Clasificación de los canales según su objetivo
| Clase de canal. | Objetivo. | ||
| Hidroenérgetico. | Riego y Drenaje. | ||
| Potencia de la hidroeléctrica. | Riego y drenaje. | Área drenada (ha). | |
| I | Mayor que 150´000. | Mayor que 25´000. | |
| II | 50´000 – 150´000 | 7´500 – 25´000 | Mayor que 5´000 |
| III | 10´000 – 50´00 | 2´500 – 7´500 | 2´000 – 5´000 |
| IV | Menor que 10´000 | Menor que 2´500 | Menor que 2´000 |
(Tabla 2) Clase de construcciones principales, secundarias y temporales
| Clase de canal. | Clase de construcción. | ||
| Principales. | Segundarias. | Temporales. | |
| I | 1 | 3 | 4 |
| II | 2 | 3 | 4 |
| III | 3 | 4 | 4 |
| IV | 4 | 4 | 4 |
(Tabla 3) Probabilidad de diseño de los canales según su clase de explotación.
| Clase de construcción (tabla 1.2). | Probabilidad en %. | |
| Condiciones normales de explotación. | Condiciones normales de explotación. | |
| 1 | 0.1 | 0.01 |
| 2 | 1.0 | 0.1 |
| 3 | 3.0 | 0.5 |
| 4 | 5.0 | 1.0 |
Nota: Tomada de Hidroteknicheskii Curiuli, de B. Filiov y otros.
Tipos de flujo en un canal.
Flujo permanente (uniforme).
Un flujo permanente o uniforme es aquel donde la profundidad del caudal se mantiene constante en un tiempo de terminado, por ende las propiedades fluidas son constantes en el tiempo establecido; el flujo no es permanente si la profundidad del flujo cambia en el tiempo establecido. (Fig. 2).
Figura 2. Tiempo de criterio.
Las características del flujo, como son: Velocidad (V), Caudal (Q), y Calado (h), son independientes del tiempo, si bien pueden variar a lo largo del canal, siendo x la abscisa de una sección genérica, se tiene que = fv(x); Q = fq(x); h = fh(x)
Figura 3. Flujo uniforme permanente y Flujo uniforme no permanente.
Flujo transitorio o No permanente (flujo variado).
Por otra parte, el flujo se denomina variado si encada una de las secciones analizadas tiene una profundidad de circulación diferente; el flujo variado se subdivide a su vez en gradualmente variado y rápidamente variado. En este último la profundidad de circulación cambia bruscamente en una corta distancia y es denominado por algunos autores como fenómeno local. A este subgrupo pertenecen, la caída hidráulica y el salto hidráulico.Figura 4. Flujo no permanente.
Un flujo transitorio presenta cambios en sus características a lo largo del tiempo para el cual se analiza el comportamiento del canal. Las características del flujo son en función del tiempo y en este caso se tiene que:
V = fv(x, t)
Q = fq (x, t)
h = fh (x, t)
Las situaciones de transitoriedad se pueden dar tanto en el flujo subcrítico como en el supercrítico.
Para mayor claridad, la clasificación del flujo en canales abiertos se resume dela siguiente forma:
- Flujo permanente.
- Flujo uniforme.
- Flujo variado.
- Flujo gradualmente variado.
- Fluido rápidamente variado.
- Flujo no permanente.
- Flujo uniforme n permanente (raro).
- Flujo no permanente (es decir, flujo variado no permanente).
- Flujo gradualmente variado no permanente.
- Flujo rápidamente variado no permanente.
Estado del flujo.
El estado o comportamiento del flujo de los canales abiertos están gobernados básicamente por los efectos de la viscosidad y la gravedad en relación con las fuerzas inerciales del flujo. La tensión superficial puede afectar el comportamiento del flujo bajo ciertas condiciones, pero no juega un papel significativo en la mayor parte de los problemas de los problemas de canales abiertos que presenta la ingeniería.
Efecto de la viscosidad.
Esta puede ser de la siguiente forma:
- Laminar: Es el flujo donde las fuerzas de viscosidad son mucho más fuertes que las fuerzas de inercia[i]. En este tipo de flujo el movimiento de las partículas de agua describe una trayectoria definida a lo largo de pequeños tubos de corriente, de tal manera que la viscosidad juega un papel muy importante en determinar el comportamiento del flujo.
- Turbulento: Él flujo las fuerzas de inercia son superiores a las de viscosidad y el movimiento delas partículas de agua describe una trayectoria irregular y errática.
- Transicional: Como un caso intermedio entre el flujo laminar y el turbulento y, como su nombre indica, es la frontera entre ambos flujos.
El efecto de la viscosidad en relación con la inercia puede representarse mediante el número de Reynolds[ii], definido por:
(1)
y que es equivalente
(2)
donde R se considerada igual al radio hidráulico de un conducto; , densidad del fluido; , velocidad característica del fluido; D, diámetro de la tubería a través de la cual circula el fluido o longitud característica del sistema; , viscosidad dinámica del fluido; , viscosidad cinemática del fluido m2/s
El flujo en canales abierto es laminar si el número de Reynolds R es pequeño, en cambio, si R es grande es turbulento.
Regímenes de flujo.
En el canal abierto el efecto combinado de la viscosidad y la gravedad puede producir cualquiera de los cuatro regímenes de flujo siguientes:
- Subcrítico – Laminar: Cuando F es menor que la unidad y R está en el rango laminar.
- Supercrítico – Laminar: Cuando F es mayor que la unidad y R está en el rango laminar.
- Supercrítico – Turbulento: Cuando F es mayor que la unidad y R está en el rango turbulento.
- Subcrítico – Turbulento: Cuando F es menor que la unidad y R está en el rango turbulento.
El tipo de régimen de flujo se conoce por medio del número de Froude:
(3)
(4)
Donde
Fr = Número de Froude.
V = Velocidad en m/s
g = Aceleración de gravedad 9.81 m/s2
Y = Tirante medio o crítico, en m.
- Si él , el régimen es supercrítico o rápido.
- Si él , el régimen es crítico
- Si él , el régimen es Subcrítico o lento.
Un flujo crítico se puede conseguir mediante la reducción de la sección del canal, también se puede conseguir provocando una sobre elevación del fondo del cauce.
[i] En la inercia (del latín inertĭa) es la propiedad que tienen los cuerpos de permanecer en su estado de reposo relativo o movimiento relativo o dicho de forma general es la resistencia que opone la materia a modificar su estado de movimiento, incluyendo cambios en la velocidad o en la dirección del movimiento. Como consecuencia, un cuerpo conserva su estado de reposo relativo o movimiento rectilíneo uniforme relativo si no hay una fuerza que, actuando sobre él, logre cambiar su estado de movimiento.
[ii]El número de Reynolds (Re) es un número adimensional utilizado en mecánica de fluidos, diseño de reactores y fenómenos de transporte para caracterizar el movimiento de un fluido. El concepto fue introducido por George Gabriel Stokes en 1851, pero el número de Reynolds fue nombrado por Osborne Reynolds (1842-1912), quien popularizó su uso en 1883.