Resalto hidráulico: qué es, tipos y fórmula con ejemplo
El resalto hidráulico (o salto hidráulico) es la transición brusca de un flujo de régimen supercrítico (rápido y de poco tirante) a régimen subcrítico (lento y de mayor tirante). Se produce en un tramo corto, con un aumento súbito del tirante y una pérdida de energía considerable, que se disipa principalmente como turbulencia y calor. Por eso se usa como disipador de energía al pie de vertederos, rápidas y compuertas.
¿Qué es el resalto hidráulico?
Es un fenómeno local del flujo rápidamente variado en canales abiertos. El agua pasa, en un corto tramo, de un tirante inferior al crítico a otro superior al crítico. Antes del resalto predomina la energía cinética de la corriente; parte de ella se transforma en calor (pérdida de energía útil) y parte en energía potencial, que se manifiesta como el incremento del tirante.
¿Cuándo se forma el resalto hidráulico?
El resalto se forma cuando una corriente rápida (supercrítica) encuentra un obstáculo o un cambio brusco de pendiente que la obliga a pasar a régimen lento (subcrítico). Esto ocurre típicamente al pie de estructuras hidráulicas: vertederos de demasías, rápidas, y salidas de compuertas con descarga por el fondo.
Tirantes conjugados y altura del resalto
Las secciones (1) y (2) marcan el principio y el final del resalto. Los tirantes con que escurre el agua antes y después se llaman tirantes conjugados: y1 es el conjugado menor (aguas arriba, supercrítico) e y2 el conjugado mayor (aguas abajo, subcrítico).
La diferencia y2 − y1 es la altura del resalto, y L su longitud. Para un canal rectangular horizontal, el tirante conjugado mayor se obtiene de la ecuación de Bélanger, deducida del principio de conservación de la cantidad de movimiento:
y2 = (y1/2) · (√(1 + 8·Fr12) − 1)
donde Fr1 es el número de Froude del flujo aguas arriba: Fr1 = V1 / √(g·y1), con V1 la velocidad media y g = 9,81 m/s2. El siguiente esquema resume el fenómeno, incluyendo la línea de energía y la energía disipada ΔE:
Número de Froude y tipos de resalto
El número de Froude aguas arriba (Fr1) gobierna la forma y la eficiencia del resalto. La clasificación clásica para canales rectangulares horizontales (Ven Te Chow, USBR) es:
| Fr1 | Tipo de resalto | Energía disipada | Característica |
|---|---|---|---|
| 1,0 – 1,7 | Ondular | < 5 % | Ondas suaves en la superficie, sin remolino marcado. |
| 1,7 – 2,5 | Débil | 5 – 15 % | Pequeños remolinos; superficie aguas abajo lisa. |
| 2,5 – 4,5 | Oscilante | 15 – 45 % | Chorro que oscila; genera ondas y vibraciones. Conviene evitarlo en diseño. |
| 4,5 – 9,0 | Estable (permanente) | 45 – 70 % | Bien definido y estable. Es el preferido en disipadores de energía. |
| > 9,0 | Fuerte | hasta 85 % | Muy turbulento, superficie rugosa, gran disipación. |
Las fronteras son orientativas y varían ligeramente entre referencias. En el diseño de cuencos amortiguadores se busca operar en el rango del resalto estable.
Pérdida de energía en el resalto
El resalto disipa energía: la energía específica aguas abajo (E2) es menor que aguas arriba (E1). Para un canal rectangular, la pérdida se calcula directamente con los tirantes conjugados:
ΔE = (y2 − y1)3 / (4·y1·y2)
Esta energía disipada es justamente lo que se aprovecha: convierte una corriente erosiva y de alta velocidad en un flujo tranquilo, protegiendo el lecho y las estructuras aguas abajo. El análisis del resalto se apoya en el principio de cantidad de movimiento, no en la ecuación de la energía, porque la pérdida ΔE es desconocida de antemano; el desarrollo completo está en la ecuación general del resalto hidráulico.
Longitud del resalto
La longitud L es difícil de definir teóricamente y se determina con criterios empíricos. Las curvas del U.S. Bureau of Reclamation (USBR) relacionan L/y2 con Fr1; para el resalto estable se usa con frecuencia la aproximación L ≈ 6·y2. Es un valor de referencia para predimensionar: la longitud real depende de las condiciones de entrada y de la geometría del canal.
Ejemplo resuelto
Al pie de un vertedero, el agua llega con un tirante y1 = 0,40 m y una velocidad V1 = 6,0 m/s en un canal rectangular. Determinar el tirante conjugado, la altura del resalto y la energía disipada.
1. Número de Froude aguas arriba.
Fr1 = 6,0 / √(9,81 × 0,40) = 6,0 / 1,98 = 3,03 (> 1, flujo supercrítico → resalto oscilante).
2. Tirante conjugado (Bélanger).
y2 = (0,40/2) · (√(1 + 8 × 3,032) − 1) = 0,20 × (√74,4 − 1) = 0,20 × 7,63 = 1,53 m
3. Altura del resalto.
y2 − y1 = 1,53 − 0,40 = 1,13 m
4. Energía disipada.
ΔE = (1,13)3 / (4 × 0,40 × 1,53) = 1,44 / 2,45 = 0,59 m
Comprobación por energía específica: E1 = 0,40 + 6,02/(2·9,81) = 2,24 m. Con V2 = V1·y1/y2 = 1,57 m/s, E2 = 1,53 + 1,572/(2·9,81) = 1,65 m. Entonces ΔE = 2,24 − 1,65 = 0,59 m, es decir cerca del 26 % de la energía inicial, coherente con un resalto oscilante.
¿Para qué sirve el resalto hidráulico?
Además de su uso como disipador natural de energía, el resalto hidráulico tiene varias aplicaciones prácticas:
- Disipación de energía: previene o confina la socavación aguas abajo de vertederos, compuertas y otras estructuras hidráulicas.
- Mezclado: su fuerte turbulencia favorece el mezclado de sustancias químicas en plantas de tratamiento y purificación de agua.
- Control de flujo bajo compuertas: al rechazar el retroceso del agua contra una compuerta deslizante, aumenta la carga efectiva y con ella el caudal descargado.
- Recuperación de carga: permite mantener un nivel alto del agua aguas abajo de un aforador, en canales de riego o de distribución.
Preguntas frecuentes
¿Qué es el resalto hidráulico?
Es el paso brusco de un flujo de régimen supercrítico a subcrítico en un canal, con un aumento súbito del tirante y una disipación importante de energía en un tramo corto.
¿Cuándo se produce un resalto hidráulico?
Cuando una corriente rápida (supercrítica) se ve obligada a pasar a régimen lento (subcrítico), por un obstáculo o un cambio de pendiente. Es típico al pie de vertederos, rápidas y compuertas.
¿Qué son los tirantes conjugados?
Son los tirantes antes (y1, conjugado menor) y después (y2, conjugado mayor) del resalto. Su diferencia es la altura del resalto.
¿Cómo se calcula el tirante después del resalto?
Con la ecuación de Bélanger para canal rectangular: y2 = (y1/2)·(√(1 + 8·Fr12) − 1), donde Fr1 es el número de Froude aguas arriba.
¿Cuánta energía disipa un resalto hidráulico?
Depende del número de Froude: desde menos del 5 % en un resalto ondular hasta cerca del 85 % en un resalto fuerte. El resalto estable (Fr1 de 4,5 a 9) disipa entre 45 y 70 % y es el que se busca en disipadores.
¿Para qué sirve el resalto hidráulico?
Principalmente para disipar energía y proteger del socavamiento las estructuras hidráulicas. También se usa para mezclar sustancias, controlar el flujo bajo compuertas y recuperar carga aguas abajo de aforadores.