FLUJO SOBRE LECHO FIJO Y LISO
El canal de flujo puede utilizarse sin sedimentos en el lecho para demostrar los siguientes fenómenos de flujo y las ecuaciones que los rigen:
- Flujo tranquilo sub-crítico - movimiento de olas en la superficie aguas arriba contra el flujo
- Flujo rápido super-crítico - dominio de las fuerzas de inercia sobre las gravitacionales, ondas de choque debido a obstrucciones en el flujo
- Salto hidráulico - transición de flujo super-crítico a sub-crítico, arrastre de aire, mezclado
- Turbulencia - visualización de flujo mediante inyección de tinte, por ejemplo, con una jeringuilla hipodérmica (no suministrada)
- Medición del flujo - usando represas de cresta aguda
- Ecuaciones que rigen el flujo en canal abierto -
número de Reynolds, número de Froude, continuidad, ecuación de Bernouilli, ecuaciones de represa
FLUJO SOBRE UN LECHO MÓVIL DE ARENA
Secuencia de formas de fondo asociadas a intensidad de flujo y transporte de sedimentos en aumento. Se exhiben las siguientes formas de fondo (a medida que aumenta la descarga y/o la inclinación):
- Régimen inferior
- lecho plano (sin movimiento)
- ondulaciones
- ondulaciones y dunas
- dunas
- dunas lavadas
- Régimen superior
- lecho plano (con movimiento)
- olas estacionarias
- antidunas
- antidunas rotas
- canales y estanques
MECÁNICA DE TRANSPORTE DE SEDIMENTOS
Empezando con un lecho plano sin movimiento, puede observarse el movimiento de los granos, especialmente lo siguiente:
- iniciación del movimiento
- trayectoria del movimiento inicial
- movimiento por rodamiento y deslizamiento (carga de contacto)
Se suministra un indicador de nivel de agua para medir la carga sobre la represa de descarga del canal para inferir caudales con la ayuda de una tabla de calibración. Se suministran modelos macizos de una columna de puente y una represa de paso inferior para demostrar los efectos socavantes de las estructuras artificiales en el lecho de los ríos:
- movimiento por saltación (carga de saltación)
- movimiento por suspensión (carga en suspensión)
CARACTERÍSTICAS DE DEPOSICIÓN Y FACIES
Es posible observar la deposición de la carga de sedimentos e identificar los patrones resultantes de granos dentro de la masa de arena (por ejemplo, estratificación cruzada, capas de serie frontal, etc.). Puede comentarse la importancia de estas características cuando son halladas en registros geológicos.
SOCAVACIÓN LOCAL
Se observa socavación bajo remolinos y vórtices en el flujo en las formas de fondo de régimen superior e inferior. Es posible introducir obstrucciones artificiales para representar pilares de puentes, pedraplenes, zapatas de asiento u otras estructuras artificiales, y examinarse el patrón de socavación resultante. Se incluyen dos modelos de este tipo.
ESTRUCTURAS DE FLUJO
También puede examinarse la estructura de la turbulencia en el flujo usando la inyección de tinte (inyector de tinte no incluido). Esto es especialmente interesante en el caso de la configuración de formas de fondo con dunas, y demuestra claramente la separación en la cara de sotavento.
HISTÉRESIS DE LA FORMA DE FONDO
Si la descarga del canal de flujo cambia rápidamente, no hay tiempo suficiente para que las formas de fondo se ajusten al nuevo régimen de flujo. Así, si se simula un hidrograma de avenidas aumentando y luego reduciendo la descarga, se producirán diferentes profundidades (etapas) para la misma descarga en los periodos de ascenso y descenso. Este efecto es sumamente importante para estaciones de medición en ríos de lecho de arena. Se demuestra fácilmente y de forma clara en el canal de flujo.
TRABAJOS COMPUTACIONALES
Además de ilustrar fenómenos de flujo y sedimento, el canal de flujo puede utilizarse para la recogida básica de datos y la evaluación numérica de:
Resistencia al flujo
- Manning, Chezy y Darcy
- factores de fricción de Weisbach para diversas configuraciones de formas de fondo
Predicción de formas de fondo
- Diagrama de Hjulstrom (velocidad)
- Diagrama de Bogardi (parámetro de Shields)
- Gráficos de Simons y Richardson (Potencia de corriente)
- Gráfico de Leeder (tensión de cizalladura del límite)
Iniciación del movimiento
- Curva de Hjulstrom
- Diagrama de Shields
FLUJO SOBRE UN LECHO FIJO DE GRAVILLA
El canal de flujo no puede transportar gravilla, pero sí puede ser utilizado para investigar la resistencia al flujo en ríos con lecho de gravilla o de pólder. Los coeficientes de resistencia al flujo pueden calcularse usando ecuaciones (tales como las de Bray, Limerinos, Hey, Lacey, Thompson y Campbell y Bathurst), comparándose los resultados con los valores reales obtenidos de la observación. Se recomienda que los usuarios obtengan la gravilla localmente (Armfield no puede suministrar gravilla).
FORMAS DE FONDO EN ARENA
A medida que el agua fluye sobre la arena en un río o en una playa, ejerce una fuerza de cizalladura sobre el lecho. Si el flujo es suficientemente fuerte, los granos de arena son levantados y ruedan y botan por el fondo. La forma del lecho responde a este movimiento transformándose en ondulaciones. A medida que aumenta la energía del flujo y la velocidad de transporte de arena, las formas de fondo se modifican. Las ondulaciones son sustituidas por dunas más grandes.
Con energías aún mayores, las dunas son lavadas y se produce un lecho plano, y en flujos extremadamente energéticos, aparecen antidunas.
Las formas de fondo son importantes por su efecto sobre el flujo de agua y el movimiento de sedimentos en los ríos y en las playas. También se producen en los desiertos, debido al desplazamiento de la arena por el viento.
Las formas de fondo son preservadas cuando los depósitos de arena se convierten en piedra arenisca por procesos geológicos. Se utilizan para reconstruir el entorno y las condiciones en los que se depositó la arena.
Esta versión mejorada de la instalación didáctica de transporte de sedimentos de Armfield permite demostrar toda la gama de formas de fondo que se producen en un lecho móvil al aumentar el flujo y/o la inclinación.