5.1: Introducción al flujo de canal abierto

Los flujos de canal abierto son aquellos que no están completamente incluidos dentro de límites rígidos; una parte del flujo está en contrato con nada en absoluto, solo espacio vacío (Figura\(\PageIndex{1}\)). La superficie del flujo así formado se denomina superficie libre, porque ese límite de flujo es libremente deformable, en contraste con los límites sólidos. Las condiciones límite en la superficie libre de un flujo de canal abierto siempre son que tanto la presión como el esfuerzo cortante son cero en todas partes. Pero un flujo puede tener una superficie libre pero no ser un flujo de canal abierto. Los flujos de conducto cerrado que consisten en dos fases fluidas inmiscibles de diferente densidad en contacto entre sí a lo largo de alguna superficie limítrofe no son flujos de canal abierto, porque no están en ningún lugar en contacto con el espacio abierto, pero sí tienen un límite libremente deformable dentro de ellos. Dichos flujos son flujos de superficie libre pero no flujos de canal abierto (Figura\(\PageIndex{2}\)), aunque generalmente se denominan flujos estratificados, debido a que la diferencia de densidad entre los dos fluidos da lugar a efectos gravitacionales en el flujo. Por otro lado, los flujos de canal abierto son por su definición también flujos de superficie libre.

Figura\(\PageIndex{1}\): Un flujo de canal abierto.

En un sentido técnico estrecho, los flujos de líquido en la superficie de la Tierra, como corrientes oceánicas o ríos, no son flujos de canal abierto, porque están en contacto con otro fluido, la atmósfera, en una superficie libre dentro de un medio fluido bifásico. Pero el contraste de densidad entre el agua y el aire es tan grande que al estudiar los flujos líquidos de la superficie terrestre generalmente ignoramos la presencia de la atmósfera suprayacente.

Figura\(\PageIndex{2}\): Un flujo de superficie libre que no es un flujo de canal abierto.

Todos los principios y técnicas para tratar la estructura de velocidad y la resistencia límite que se desarrollaron para flujos de conductos cerrados en capítulos anteriores también se mantienen para flujos de canal abierto. De hecho, gran parte del material del Capítulo 4, sobre resistencia al flujo y estructura de velocidad, se trata de flujos de canal abierto. Pero los flujos de canal abierto implican un importante elemento agregado de complejidad más allá de lo que hemos cubierto en flujos laminares y turbulentos en conductos cerrados: la presencia de la superficie libre significa que la geometría del flujo puede cambiar en la dirección del flujo no solo al estar obligado a hacerlo en virtud de la geometría de los límites pero también por el comportamiento del propio flujo. Esto significa que la aceleración de la gravedad ya no puede ser ignorada por el recurso de restar la presión hidrostática, como ocurre con los flujos de conductos cerrados, porque la fuerza de la gravedad ayuda a conformar la superficie libre. Por lo tanto, la gravedad debe incluirse como una variable independiente adicional al tratar los flujos de superficie libre. Ya has visto un ejemplo de esto allá por el Capítulo 2, cuando una esfera fue remolcada bajo el agua pero cerca de la superficie libre.

Además, en las condiciones adecuadas se pueden generar ondas de gravedad en la superficie libre, independientemente de que el fluido esté fluyendo o no. Cuando la superficie libre deformable se deforma momentáneamente en algún área pequeña por una fuerza deformante de algún tipo, por la fuerza del viento o por tu agitación del agua con la mano, la fuerza de la gravedad actúa para tratar de restaurar la superficie libre a su condición plana original. Siempre que la viscosidad del líquido no sea demasiado alta (¿alguna vez has intentado hacer olas en una tina de melaza?) este intento de restauración de una superficie libre deformada conduce a la propagación de ondas gravitacionales lejos de la región de perturbación superficial.