Comportamiento Hidráulico de Cámaras Bajo Condiciones de Flujo Supercrítico

Mediante un modelo de laboratorio de una cámara de unión se estudió el campo de flujo dominado por ondas estacionarias. Probando diferentes escenarios y variando la relación de llenado de las tuberías de entrada entre 20% y 85%, se identificó el patrón de flujo de acuerdo con las condiciones aguas arriba de la unión. Se encontró que para mantener la capacidad de la cámara de unión, el diseño tradicional de la estructura debe ser modificado. Por otro lado, se observó que cuando se forman curvas de remanso estas se desplazan hacia la tubería de menor pendiente, favoreciendo la transición a flujo subcrítico.

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IAHR

 

         

 

 

 

 

 

 

 

 

                 CIC 

XXV CONGRESO LATINOAMERICANO DE HIDRÁULICA 
SAN JOSÉ, COSTA RICA, 9 AL 12 DE SETIEMBRE DE 2012 

 
 

COMPORTAMIENTO HIDRÁULICO DE CÁMARAS DE UNIÓN BAJO 

CONDICIONES DE FLUJO SUPERCRÍTICO

 

 

Diva P. Rubio, Nataly Bermúdez, Juan G. Saldarriaga 

Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados (CIACUA), Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental,  

Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia  

<dp.rubio50@uniandes.edu.co>, <n.bermudez87@uniandes.edu.co>,  <jsaldarr@uniandes.edu.co>

 

 

 
RESUMEN:

  

 

El  presente  artículo  resume  una  investigación  que  tuvo  por  objetivo  determinar  el 

comportamiento  de  cámaras  de  unión  bajo  flujo  supercrítico  en  sistemas  de  alcantarillado.  Se 
implementó  un  modelo  físico  en  el  cual  se  probaron  diferentes  configuraciones  de  tuberías  de 
entrada. El modelo está compuesto por una tubería de entrada y una tubería lateral con un ángulo de 
unión de 90°. Su diseño permite modificar de forma independiente la altura y pendiente de las dos 
tuberías  de  entrada  con  respecto  a  la  cámara  permitiendo  diferentes  configuraciones  de  caída.  El 
modelo  físico  permite  evaluar  tres  condiciones  de  entrada  diferentes:  (1)  Flujo  de  entrada  a  la 
cámara  únicamente  por  la  tubería  principal,  (2)  flujo  de  entrada  a  la  cámara  únicamente  por  la 
tubería lateral  y  (3) flujo de entrada  a la cámara  por las tuberías principal  y lateral.  Se plantearon 
como variables independientes algunas características de los flujos entrantes: el número de Froude, 
la relación de llenado y la caída (escalón) de las tuberías de entrada; y como variables dependientes 
las características de la ubicación y dimensión del flujo dentro de la cámara: inicio, fin y altura de 
las ondas. Se plantearon recomendaciones de diseño, las cuales crean una base importante para el 
estudio y comprensión del flujo supercrítico en este tipo de estructuras de conexión en sistemas de 
alcantarillado. 

 

 
ABSTRACT:  
 

This article summarizes the research undertaken to determine the supercritical flow behavior 

in  wastewater  system  connection  chambers.  A  physical  model  was  implemented  during  this 
research  to  test  different  configurations;  it  consists  of  main  and  lateral  entrance  pipes  with  a  90° 
junction angle. The model’s design allows the entrance pipes’ height and slope—with respect to the 
chamber’s base—to be independently altered, resulting in different drop configurations. This model 
also allows us to evaluate three flows with differing conditions each as they enter the structure: (1) 
manhole  entry  flow  through  main  pipeline  only,  (2)  manhole  entry  flow  through  lateral  pipeline 
only and (3) manhole entry flow through both main and lateral pipelines. The independent variables 
that were used and corresponded to the three types of flow were wave start, end and height. In this 
paper  we  include  several  recommendations  regarding  design,  recommendations  that  should 
facilitate the understanding of these types of flow within wastewater systems. 

 

 
PALABRAS CLAVES: Flujo supercrítico, cámaras de unión, modelo físico, ondas, sistema 
alcantarillado. 

 

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INTRODUCCIÓN 
 

Las  cámaras,  pozos  o  buzones  de  unión  forman  parte  de  los  elementos  de  sistemas  de 

alcantarillado;  son  estructuras  utilizadas  para  unir,  ventilar,  inspeccionar  y  darle  mantenimiento  a 
las tuberías. Se colocan al inicio de una tubería, cada cierto número de metros, o cada vez que hay 
un  cambio  de:  dirección,  diámetro,  tipo  de  tubería  y  pendiente,  y  en  la  confluencia  de  dos  o  más 
tramos.  La  transición  del  flujo  entre  las  tuberías  aguas  arriba  y  la  tubería  aguas  abajo  en  una 
cámara,  se  puede  realizar  mediante  un  canal  de  conducción  de  flujo  de  sección  transversal 
semicircular localizado en su base (elemento conocido con el nombre de cañuela), el cual describe 
los posibles tipos de uniones entre las tuberías.  

El flujo en la entrada de la cámara de inspección puede ser subcrítico o supercrítico. Para el 

adecuado diseño de la estructura de conexión es necesario hacer una distinción entre estos tipos de 
flujo,  debido  a  que  el  flujo  subcrítico  puede  considerarse  como  unidimensional,  mientras  que  el 
flujo  supercrítico  en  la  unión  es  mucho  más  complejo  y  necesita  de  un  tratamiento  bidimensional 
(Hager,  1999).  En  la  práctica  actual  de  diseño  no  se  tiene  en  cuenta  la  presencia  de  flujo 
supercrítico,  lo  cual  implica  que  para  velocidades  altas  los  sistemas  de  alcantarillado  y 
particularmente las cámaras  de unión presentan un deficiente diseño hidráulico. No se cuenta  con 
una base teórica clara, debido a la dificultad de encontrar una función analítica que correlacione los 
parámetros involucrados y el complicado análisis hidráulico de tal flujo.  

En  la  investigación  objeto  de  este  artículo  se  implementó  un  modelo  físico  en  el  cual  se 

probaron  diferentes  configuraciones  de  cámaras.  Se  plantearon  como  variables  independientes  las 
siguientes  características  de  los  flujos  entrantes:  el  número  de  Froude,  la  relación  de  llenado  y  la 
caída de la tubería de entrada y como variables dependientes: el inicio, el fin, la altura de las ondas 
(característica de ubicación y dimensión del flujo dentro de la cámara) y el porcentaje de pérdida de 
energía.  Se  pudieron  identificar  los  diferentes  tipos  de  ondas  y  cómo  se  comportan  las  pérdidas. 
Finalmente, se plantearon algunas recomendaciones de diseño. 
 

 

MATERIALES Y MÉTODOS 
 

La investigación en la Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia se desarrolló mediante 

el empleo de un modelo físico de una estructura de conexión convencional (cámara). El modelo está 
conformado por dos tuberías de entrada aguas arriba, una tubería de salida aguas abajo  y un canal 
de conducción del flujo en la base (media caña, cañuela). Todos los elementos fueron elaborados en 
cristal acrílico, material  que permite observar  y analizar las formas de operación bajo condiciones 
de flujo supercrítico. 

 

 

Figura 1.-Esquema del montaje del modelo. 

 

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Debido al tamaño real del modelo, este representa muy bien una cámara prototipo particular 

a escala 1:2 ó 1:3. Este tipo de escalas permite reproducir los fenómenos hidráulicos que ocurren en 
una forma dinámica similar, lo cual le da validez al presente estudio.  

El modelo está compuesto  por una tubería de entrada principal  y una entrada lateral  a 90º. 

Su  diseño  permite  que  en  las  dos  tuberías  de  entrada  se  pueda  variar  la  pendiente  y  la  altura  con 
respecto al fondo de la cámara, lo cual permite diferentes configuraciones de caída; para este fin se 
adicionó  a  la  cámara  un  mecanismo  de  tapas  removibles  herméticas  que  permiten  tener  cuatro 
posibles  alturas  desde  la  cota  de  batea  con  respecto  al  fondo  de  la  cámara.  El  modelo  también 
cuenta con una tubería de salida aguas abajo. Las tres tuberías convergen en la cámara, de sección 
circular, construida en láminas de acrílico.  

 

 

Figura 2.-Modelo de estructura de conexión y configuraciones de tapas removibles herméticas. 

 
El  modelo  permite  evaluar  dos  configuraciones  de  dirección  del  flujo  de  entrada  a  la 

estructura  de  conexión:  flujo  directo,  tubería  de  entrada  a  la  estructura  aguas  arriba  alineada  a  la 
tubería  de  salida  aguas  abajo;  y  flujo  lateral,  tubería  de  entrada  a  la  estructura  ubicada  a  90°  con 
respecto  a  la  tubería  de  salida  aguas  abajo.  Lo  anterior  permite  definir  diferentes  condiciones  del 
flujo de entrada a la estructura: 

  Flujo de entrada a la cámara únicamente en la tubería principal (Flujo directo). 

  Flujo de entrada a la cámara únicamente en la tubería lateral (Flujo a 90°). 

  Flujo  de  entrada  a  la  cámara  en  la  tubería  principal  y  en  la  tubería  lateral  (Unión  de  los 

flujos). 

De  igual  forma,  cada  condición  de  entrada  tiene  la  posibilidad  de  variar  la  altura  de  caída 

para  obtener  diferentes  escenarios  de  modelación.  En  total  se  desarrollaron  188  pruebas.  Cada 
escenario  se  evaluó  para  relaciones  de  llenado  entre  el  5%  y  el  75%,  rango  dentro  del  cual  es 
habitual el comportamiento del flujo supercrítico en tuberías de sistemas de alcantarillado.  

Para  el  desarrollo  de  cada  prueba  primero  se  ajustaba  el  caudal  en  las  dos  tuberías  de 

entrada, luego se procedía a la medición  alturas de la lámina de agua en el modelo empleando un 
sensor de nivel, el cual se ubicaba en los orificios espaciados cada 0.15 m a lo largo de cada tubería 
y en la cámara.  

Los datos registrados permiten un análisis detallado del comportamiento del flujo a lo largo 

del modelo, ya que con ellos se identifican los parámetros independientes: (1) número de Froude en 
cada una de las tuberías de entrada, (2) Relación de llenado en cada tubería del modelo, (3) Ángulo 
de  unión  de  la  cañuela  y  (4)  Alturas  de  las  caídas  de  la  tubería  principal  y  lateral.  Otro  de  los 
objetivos  de  las  mediciones  es  la  descripción  del  patrón  de  flujo  de  la  estructura  ya  que  el 
comportamiento  del  flujo  supercrítico  en  una  cámara  de  alcantarillado  está  caracterizado  por  la 

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presencia de flujo  ondulatorio.  Para esto  fue necesario  especificar la ubicación  de las ondas  y sus 
dimensiones  en  función  de  coordenadas:  transversal  (x),  longitudinal  (y)  y  vertical  (z)  en  la 
estructura de unión, definiendo de esta forma las variables dependientes. Finalmente, la explicación 
del  comportamiento  hidráulico se basa en la correlación  de parámetros  independientes  y variables 
dependientes de acuerdo con el escenario de modelación evaluado.  
 
EVALUACIÓN DE RESULTADOS  
 
Flujo Directo 
 

  
Se encontró que para un flujo supercrítico directo se presenta un solo tipo de onda ubicada al 

final de la pared interna del canal de conducción lateral de la cañuela Onda A. Esta onda se forma 
debido  al  choque  del  flujo  de  entrada  por  la  tubería  principal  con  el  final  de  la  pared  interna  del 
canal de conducción lateral de la cañuela. Esta onda se presenta solo en caudales mayores a 10 L/s. 

Se observó que la localización de la Onda A es independiente a los parámetros de entrada, 

ya  que para  este escenario  de modelación  el  inicio  y fin de la onda son  constantes, por lo  cual  se 
considera esta una onda como estática.  

Por otro lado, se analizó la altura máxima de la onda en relación con el número de Froude y 

la  altura  máxima  de  llenado.  Se  encontró  un  comportamiento  directamente  proporcional  entre  la 
altura máxima y la relación de llenado descrita con una función logarítmica que representa el mejor 
ajuste.  Entre  la  altura  máxima  de  onda  y  el  número  de  Froude  se  observó  un  comportamiento 
inversamente proporcional descrito con una función logarítmica que representa el mejor ajuste.  Lo 
anterior sugiere la existencia de una relación multivariada entre la altura máxima de la Onda A, el 
número de Froude y la relación de llenado. 

 

 

 

Figura 3.- Onda presente en una cámara con flujo directo. Foto de desarrollo Onda A para un caudal medio. 

 

Para  analizar  la  pérdida  de  energía  se  evalúa  su  relación  con  la  altura  de  velocidad  de  la 

tubería de entrada, la altura de velocidad de la tubería de salida, la relación de llenado de la tubería 
de  entrada,  el  número  de  Froude  de  la  tubería  de  entrada  y  el  caudal  de  la  tubería  de  entrada.  La 
relación entre el porcentaje de pérdida de energía y la altura de velocidad de la tubería de entrada es 
inversamente  proporcional,  descrita  con  una  función  lineal  que  representa  el  mejor  ajuste.  La 
relación entre el porcentaje de pérdida  y la altura de velocidad de la tubería de salida también fue 
inversamente proporcional pero en este caso el mejor ajuste fue el de una función exponencial. La 
dependencia  con  la  relación  de  llenado,  el  número  de  Froude  y  el  caudal  fue  inversamente 
proporcional descrita con una función  logarítmica como  mejor ajuste. Para todas las relaciones se 
encontró  un  comportamiento  ascendente  entre  las  caídas,  es  decir,  los  mayores  porcentajes  de 
pérdidas se presentaron para caídas de mayor valor. Finalmente, se sugiere la relación multivariada 
para este caso como una relación entre el porcentaje de pérdida de energía, el número de Froude,  la 
relación de llenado y la caída de la tubería de entrada principal, la altura de velocidad no se tuvo en 
cuenta  debido  a  que  tiene  bajos  coeficientes  de  correlación,  y  adicionalmente  se  encontró  que  la 
eliminación de este parámetro no afecta significativamente en la función.  

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Flujo a 90° 

 
Se  encontró  que  se  presentan  dos  tipos  de  onda.  La  primera  llamada  Onda  C  se  forma 

debido  al  choque  del  flujo  de  entrada  por  la  tubería  lateral  con  la  pared  del  canal  de  conducción 
principal de la cañuela. La segunda onda definida como Onda D se forma debido al choque del flujo 
de entrada por la tubería lateral con la pared interna del canal de conducción lateral de la cañuela. 
La Onda D nunca se desarrolló de forma individual; su formación se dio en conjunto con la Onda C 
y ocurrió únicamente para la configuración de mayor caída (caída de 0.75 Do). Lo anterior permite 
afirmar que se presentan dos instancias de ondas: (1) desarrollo de la Onda C y (2) desarrollo de la 
Onda C y D. Finalmente, se define como onda hidráulicamente dominante la Onda C, debido a la 
presencia continua para un flujo de 90°.  

El inicio de la onda C se presenta después del punto de unión entre el canal de conducción 

principal y lateral de la cañuela, y el final de la onda se presenta muy cerca a la tubería de salida lo 
que genera un estado de obstrucción para caudales altos.  Esta onda se considera estática, debido a 
que su localización se desarrolla siempre en la misma zona sin importar el cambio de los parámetros 
independientes;  sin  embargo,  presenta  una  tendencia  creciente  del  punto  de  inicio  para  mayores 
relaciones de llenado. Esta condición es importante  ya que indica que para mayores  relaciones  de 
llenado se presentan longitudes de onda menores y un desarrollo muy cercano a la tubería de salida 
que,  acompañado  de  grandes  alturas  de  onda,  genera  una  condición  de  obstrucción  y  posible 
sobrecarga del sistema.   

Para  el  análisis  de  las  dimensiones  de  las  dimensiones  de  la  onda  C  se  tomó  la  longitud 

máxima de la onda (en relación con el diámetro de la cámara D

c

)  y la altura máxima de onda (en 

relación  con  el  porcentaje de la altura del  banco  de la cañuela H

b

).  Se observó  que para la mayor 

configuración  de caída se  tiene  un  valor constante del  punto  de  inicio de onda,  y  por lo  tanto una 
longitud  constante;  de  igual  forma  para  esta  caída  se  presentan  los  menores  valores  da  altura  de 
onda  y la formación  de la onda D. Se encontró que una cámara con media caña no representa un 
adecuado canal de conducción para el flujo de entrada a 90°, ya que la altura máxima de onda es de 
2.78 H

b

.   

 
 

 

 

Figura 4.- Onda presente en una cámara con flujo de entrada 90°. Foto de desarrollo conjunto ondas C y D. 

 
Para la evaluación de las pérdidas de energía presentadas en una estructura de conexión con 

flujo a 90°, se evaluó su relación con la altura de velocidad de la tubería de entrada lateral, la altura 
de  velocidad  de  la  tubería  de  salida,  la  relación  de  llenado  de  la  tubería  de  entrada,  el  número  de 
Froude de la tubería de entrada y el caudal de la tubería de entrada lateral. 

La relación entre el porcentaje de pérdida de energía y la altura de velocidad de la tubería de 

entrada lateral es inversamente proporcional, descrita con una función logarítmica que representa el 
mejor ajuste, al igual que la relación con la altura de velocidad de la tubería de salida, la relación de 
llenado  y  el  caudal.  La  relación  del  porcentaje  de  pérdida  de  energía  y  el  número  de  Froude  fue 

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directamente  proporcional  y  representada  por  una  función  lineal.  Se  encontró  un  comportamiento 
ascendente entre las caídas, es decir, los mayores porcentajes de pérdidas se presentaron para caídas 
de  mayor  valor.  Finalmente,  se  sugiere  la  relación  multivariada  para  este  caso  como  una  relación 
entre el porcentaje de pérdida de energía (parámetro dependiente), el número de Froude, la relación 
de llenado  y la caída de  la tubería de entrada lateral.  La altura de velocidad no se tuvo  en cuenta 
debido  a  que  tiene  bajos  coeficientes  de  correlación,  y  adicionalmente  se  encontró  que  la 
eliminación de este parámetro no afecta significativamente en la función.  

 

 
Unión de los Flujos 

 
Se encontró que para la unión de los flujos supercríticos se presentan tres tipos de onda (ver 

Figura 5). La primera onda identificada se forma debido al choque del flujo de entrada por la tubería 
principal  con  el  final  de  la  pared  interna  del  canal  de  conducción  de  la  cañuela;  comportamiento 
típico  de  la  onda  hidráulicamente  dominante  de  un  flujo  directo  (Onda  A).  La  segunda  onda  se 
forma  debido  al  choque  del  flujo  de  entrada  por  la  tubería  lateral  con  la  pared  del  canal  de 
conducción  principal  de  la  cañuela,  comportamiento  típico  de  la  onda  hidráulicamente  dominante 
de un flujo a 90° (Onda C). La tercera onda, definida como Onda E se forma debido a la unión de 
los flujos en el punto de confluencia de los canales de conducción de la cañuela (principal y lateral). 

 

 

Figura 5.- Onda presente en una cámara con unión de flujos. 

 
La Onda A propia de un flujo directo se presenta cuando el caudal de entrada por la tubería 

lateral  es  menor  al  10%  del  caudal  de  la  tubería  principal.  Al  igual  que  el  análisis  realizado  para 
flujo  directo  se  encontró  que  la  localización  de  la  Onda  A  es  independiente  de  los  parámetros  de 
entrada,  ya  que  se  desarrolla  siempre  para  un  valor  promedio  de  inicio  de  0.73  D

c

  y  un  valor 

promedio de finalización de 1.0 D

c

; por lo anterior se define como una onda estática. De todas las 

ondas  identificadas  en  la  configuración  de  unión  de  los  flujos  la  Onda  A  es  la  que  presenta  una 
menor altura máxima de onda, la cual no superó nunca el valor de 1.08 H

(para las pruebas de flujo 

directo  y  unión  de  los  flujos).  Como  ya  se  ha  mencionado  anteriormente,  al  ser  la  dimensión  de 
longitud  máxima  de  la  onda  función  de  las  abscisas  inicial  y  final  se  considera  constante, 
registrando un valor promedio de 0.27 D

c

. Lo anterior dejó como única variable a analizar la altura 

máxima de onda. 

La  Onda  C  propia  de  un  flujo  a  90°  se  presenta  cuando  el  conducto  hidráulicamente 

dominante es la tubería lateral.  Al igual  que el  análisis realizado para flujo  a 90° se encontró una 
tendencia de formación de la Onda D, que en presencia de grandes caudales obstruía la tubería de 
salida  y  ocasionaba  una  sobrecarga  en  la  estructura  de  conexión  (cámara).  La  localización  de  la 
Onda  C  se  desarrolla  para  un  valor  promedio  de  inicio  de  0.54  D

c

  y  un  valor  promedio  de 

finalización  de  0.98  D

c

;  lo  anterior  la  define  como  una  onda  estática.  De  todas  las  ondas 

identificadas  en  la  configuración  de  unión  de  los  flujos  la  Onda  C  es  la  que  presenta  una  mayor 
altura  máxima  de  onda,  la  cual  supera  el  valor  obtenido  para  la  configuración  de  flujo  a  90°  con 

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2.33 H

b

. Se observó que la presencia de esta onda afecta a la tubería principal cuando esta no tiene 

caída  y  cuando  la  caída  de  la  tubería  lateral  (conducto  hidráulicamente  dominante)  es  igual  o 
superior;  ya que genera un resalto hidráulico en la salida de la tubería principal  y en presencia de 
grandes caudales el resalto se desplaza al interior de la tubería incrementando el nivel de la lámina 
de agua y causando un efecto de presurización. De igual forma que para la configuración de flujo a 
90°  la  Onda  C  presenta  un  valor  promedio  de  longitud  máxima  de  la  onda  de  0.45  D

c

;  para  la 

presente  configuración  no  se  encontró  una  relación  significativa  entre  esta  variable  (longitud 
máxima  de  la  onda)  y  los  parámetros  de  entrada,  la  cual  dejó  como  única  variable  a  analizar  la 
altura máxima de onda. 

La Onda E se considera propia de un flujo supercrítico en una cámara de alcantarillado con 

tuberías de entrada principal y lateral; se presenta cuando el conducto hidráulicamente dominante es 
la tubería principal y el caudal de la tubería lateral supera el 10% del caudal de la tubería principal. 
La Onda E presenta su inicio en 0.45 D

c

, punto de unión de los canales de conducción de la cañuela 

y en consecuencia de los flujos de entrada a la cámara; presenta un valor promedio de finalización 
de  0.90  D

c

.  Al  igual  que  las  anteriores  ondas  identificadas,  la  localización  de  la  Onda  E  es 

independiente de los  parámetros  de entrada, lo  cual  la define como  una  onda estática.  La Onda  E 
representa  el  valor  medio  de  altura  máxima  de  la  onda  de  todas  las  ondas  presentes  en  la 
configuración de unión de los flujos con una altura máxima de onda de 1.33 H

b

. Se observó que la 

presencia  de  esta  onda  afecta  la  tubería  lateral  cuando  no  tiene  caída  ó  la  caída  de  la  tubería 
principal  (conducto  hidráulicamente  dominante)  es  igual  o  superior,  ya  que  genera  un  resalto 
hidráulico  en  la  salida  de  la  tubería  lateral.  Aunque  este  resalto  no  se  desplazó  aguas  arriba  de  la 
tubería  lateral  por  condiciones  físicas  del  modelo  evaluado,  en  el  cual  la  tubería  lateral  presenta 
mayores pendientes, se considera que tendrá un comportamiento similar al resalto ocasionado por la 
Onda C para la configuración de unión de los flujos, en donde el resalto se desplaza aguas arriba de 
la  tubería,  incrementa  el  nivel  de  la  lámina  de  agua  y  ocasiona  un  efecto  de  presurización  en  la 
misma.  Como  ya  se  ha  mencionado  anteriormente,  al  igual  que  las  demás  ondas  la  dimensión  de 
longitud  máxima  de  la  onda  se  considera  constante  al  ser  función  de  las  abscisas  inicial  y  final, 
registrando  un  valor  promedio  de  0.47  D

c

  y  representando  el  mayor  valor  entre  todas  las  ondas 

identificadas. Lo anterior deja como única variable a analizar la altura máxima de onda. 

 

 

 

 

Figura 6.- Foto Izquierda desarrollo de la onda A para unión de los flujos. Foto central desarrollo de la onda C para unión de los 

flujos. Foto derecha desarrollo de la onda E para unión de los flujos.  

 
Para analizar en qué condiciones se forma cada tipo de onda se evaluó su relación en función 

de los parámetros independientes anteriormente descritos llegando a las siguientes conclusiones:  

  La  Onda  A  sólo  tiene  presencia  en  la  configuración  de  unión  de  los  flujos  cuando  la 

influencia de la tubería lateral  es mínima  y se presenta un comportamiento típico del  flujo 
directo descrito con las mismas características.  

  La Onda C, aunque muestra las mismas características de ubicación de una onda típica de un 

flujo a 90°, sus características de dimensión (principalmente la altura máxima de la onda) en 
la  configuración  de  unión  de  los  flujos  se  ve  influenciada  por  los  parámetros  de  entrada 
tanto  de  la  tubería  principal  como  lateral;  por  lo  anterior  es  necesario  diferenciar  la 
formación de esta onda de acuerdo con la configuración donde se desarrolla.  

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  La  Onda  E  fue  el  tipo  de  onda  con  mayor  presencia  en  la  configuración  de  unión  de  los 

flujos, sin embargo, no se considera como una onda que represente peligro para el sistema, 
ya  que  su  altura  máxima  de  onda  se  encuentra  en  un  valor  intermedio  con  respecto  a  las 
Onda A y Onda C. No se desarrolla cerca a la tubería de salida, lo cual disminuye el riesgo 
de sobrecarga del sistema y nunca se registraron datos en los cuales el flujo sobrepasara los 
bancos de la cañuela. 

Las pérdidas de energía se analizaron para dos condiciones: (1) si la tubería principal es el 

conducto  hidráulicamente  dominante  y  (2)  si  la  tubería  lateral  es  el  conducto  hidráulicamente 
dominante siguiendo un procedimiento similar al realizado para flujo directo y flujo a 90°.  Ambas 
condiciones se encontró que la pérdida de energía muestra una relación directamente proporcional 
con  el  número  de  Froude  e  inversamente  proporcional  con  la  relación  de  llenado  de  la  tubería  de 
entrada principal, y al igual que en los casos anteriores se encontró un comportamiento ascendente 
entre las caídas y los porcentajes de pérdidas.  

 

RECOMENDACIONES DE DISEÑO 

 
Una vez analizado el comportamiento y relación existente entre las variables independientes 

y  dependientes  planteadas,  se  procedió  a  desarrollar  un  análisis  estadístico  con  el  software 
Statgraphics para cada onda identificada: Onda A (Flujo Directo), Onda  C (Flujo a 90°), Onda C-
UF (la cual corresponde a la Onda C desarrollada para la  configuración de Unión de los Flujos) y 
Onda E (Unión de los Flujos). Y otro análisis para las pérdidas en cada tipo de flujo. 

A continuación se presenta la tabla de resumen de resultados estadísticos correspondientes a 

las ondas identificadas  (ver Tabla  1).  La primera columna contiene el  tipo de onda;  la segunda  el 
resultado de la ecuación encontrada; la tercera detalla las variables independientes tenidas en cuenta 
para el ajuste del modelo y la cuarta contiene el R-cuadrado para cada ecuación encontrada; para lo 
anterior se excluyeron las pruebas que se identificaron como atípicas. 

 

Tabla 1. Resumen de resultados estadísticos para ondas. 

 

 

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Para la Tabla 1, la definición de las variables dependientes es: 

 

  Altura máxima de la onda A   

 

    

 

 

 

 

 

 

  

 

  

 

  Altura máxima de la onda C   

 

    

 

 

 

 

 

 

  

 

  

 

  Altura máxima de la onda C-UF 

 

 

       

 

 

    

 

 

 

  

    

  

 

  Altura máxima de la onda E   

 

    

 

 

 

 

 

 

  

 

  

 

donde:  

h = Altura máxima de la onda. 

H

= Altura del banco de la cañuela.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D

o

= Diámetro interno la tubería de entrada.  

 

  Caída de la tubería de entrada 

     

    

  

 

donde: 

h  =  Distancia  vertical  entre  la  cota  batea  de  la  tubería  de  entrada 
correspondiente y el fondo de la cámara. 

 

A continuación se presenta la tabla de resumen de resultados estadísticos correspondientes a 

las pérdidas  de energía  (ver Tabla 2).  La primera columna contiene el  tipo de  flujo;  la segunda  la 
definición de la variable dependiente y la tercera el resultado de la ecuación encontrada. 
 

 

Tabla 2. Resumen de resultados estadísticos para pérdidas de energía. 

 

 
 
CONCLUSIONES  
 

Aunque  todas  las  ondas  identificadas  se  definieron  como  ondas  estáticas,  ya  que  no  se 

observó desplazamiento, las Ondas C (para cualquier configuración) y A presentan un estado crítico 
frente a caudales altos, ya que su finalización tiene lugar en una distancia igual a un diámetro de la 
tubería de entrada, medido después de la curvatura de intersección entre los canales de conducción 
(lateral  y  principal),  muy  cerca  a  la  tubería  de  salida,  lo  cual  genera  un  estado  inminente  de 
obstrucción. Por lo anterior es necesario verificar que esta distancia sea mayor a un diámetro de la 
tubería de entrada.  

Se  pudo  concluir  que  la  pérdida  de  energía  presente  en  una  estructura  de  conexión  de  un 

sistema de alcantarillado, para cualquier configuración de entrada de los  flujos, puede ser descrita 

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de manera adecuada por el No. de Froude y la relación de llenado de la tubería de entrada o tubería 
hidráulicamente dominante (cuando hay más de un conducto de entrada). Se encontró una relación 
directamente proporcional entre la pérdida de energía presente en la cámara  y  el  No. de  Froude e 
inversamente proporcional con la relación de llenado.  

Se encontró una relación ascendente entre la pérdida de energía presente en la cámara  y la 

caída de la tubería de entrada o tubería hidráulicamente dominante (cuando hay más de un conducto 
de entrada); es decir, las menores pérdidas de energía se presentaron para la configuración sin caída 
y  las  mayores  pérdidas  de  energía  para  la  configuración  de  caída  de  0.75  Do  (Do  corresponde  al 
diámetro de la tubería de entrada).  

Se  identificó  una  pérdida  de  energía  en  la  estructura  de  conexión  entre  el  45  –  55%,  en  el 

cual el mayor porcentaje corresponde a los escenarios donde la tubería lateral es la hidráulicamente 
dominante.  Lo anterior,  comprueba lo  expuesto  por  Zhao &  Zhu  (2004), donde registraron que la 
pérdida de energía presente en una cámara de alcantarillado bajo condiciones de flujo supercrítico 
es cerca al 35 – 55%.  

Las pérdidas de energía presentes en la estructura de conexión se identificaron en promedio 

como el 10% de las pérdidas por fricción, calculadas en las tuberías de entrada a la estructura para 
un tramo de 100 m, distancia máxima permitida entre cámaras de inspección. Lo anterior, refleja el 
porcentaje  de  relevancia  de  las  pérdidas  de  energía  presente  en  una  estructura  de  conexión  bajo 
condiciones de flujo supercrítico para el diseño de un sistema de alcantarillado.  

Finalmente, se encontró que la fuerza resultante debido al flujo de entrada en la cámara de 

inspección es mayor para los escenarios sin caída de la tubería de entrada. Para los escenarios con 
caída,  las  fuerzas  resultantes  son  similares  para  un  mismo  caudal  de  entrada;  es  decir,  para  dos 
caídas  diferentes  de  la  tubería  de  entrada  con  un  mismo  caudal,  se  presenta  un  valor  similar  de 
fuerza resultante. 

 

REFERENCIAS 
 

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Engineering, 128, 1014–1017. 

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Supercritical Flow.” Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 6, 397–400.  

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for Supercritical Flow” and “Closure to: Drop in Combined Sewer Manhole for Supercritical Flow’’ Journal 
of Irrigation and Drainage Engineering, 6, 171–172. 

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CONVEGNO NAZIONALE DI IDRAULICA URBANA. 

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Model Study of the Edworthy Trunk Junction, Calgary, Alberta” J. Environ. Eng, 3, 343–353. 

Hager, W.H. (2010). Wastewater Hydraulics. Springer: Berlin, New York. 

 

 

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