João Bento Leal - Repositorio Digital Senescyt: Página...

Investigacin en Hidrulica de Ros

FC

T-U

NL

Joo Bento Leal

11

CEHIDRO

FCT/Universidade Nova de LisboaCEHIDRO, Centro de Estudos de Hidrossistemas

Universidad Central del Ecuador, Quito, Ecuador, 25 Octubre 2012

Joo Bento Leal

Estructura de la presentacin

Breve presentacin del investigador

Crecidas en ros con fundo mvil provocadas

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22

por la ruptura de presas

Flujo en canales compuestos

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T-U

NL Breve presentacin del investigador

Ingeniero Civil (IST), Maestre en Hidrulica e RecursosHdricos (IST), Doctor en Ingeniera Civil (UBI)

Profesor de Hidrulica hace 15 aos (UBI y FCT-UNL),responsable por las disciplinas de Hidrulica, HidrulicaUrbana, Flujos Turbulentos, Dinmica y Procesos Fluviales,Mtodos Computacionales en Hidrulica

3

Mtodos Computacionales en Hidrulica

Miembro del Consejo del Departamento de Ingeniara Civil(FCT-UNL)

Director del corso de Ingeniara Civil (UBI) en 2006/2007

Director del Laboratorio de Hidrulica (UBI) entre 2004-2008

Elabor diversos estudios y reportes de consultora en la reade Hidrulica de Ros, envolviendo intervenciones en ros,definicin de niveles y mapas de inundacin

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T-U

NL Breve presentacin del investigador

Investigador del centro CEHIDRO-IST

Public cerca de 60 artculos e comunicaciones cientficas

Particip o participa en 9 proyectos de investigacin (coordin2) financiados por la Fundacin para la Ciencia e la Tecnologade Portugal, en 1 proyecto de re-equipaje cientfico, en 1proyecto bilateral Portugal/Francia y en 3 proyectosinternacionales financiados por la UE e NATO

4

internacionales financiados por la UE e NATO

Tutor tutora 4 estudiantes de doctorado y 12 estudiantes demaestra

Organizador de la conferencia internacional RiverFlow 2006

Miembro fundador de la Comisin Especializada en Hidrulicade Ros de la Asociacin Portuguesa de Recursos Hdricos

Miembro del Working Group in Compound Channel Flows de laInternational Association of Hydro-Environment Engineeringand Research (IAHR)

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Crecidas en ros con fundo mvil provocadas por la

5

mvil provocadas por la ruptura de presas

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Crecidas en ros con fundo mvil provocadas por la ruptura de presas

DEFINICIN DEL PROBLEMA

O que es una crecida (ola) provocada por la ruptura de una presa?

6

BARRAGEMMONTANTE

GUA

JUSANTE

MONTANTE

GUA

JUSANTE

PRESAATRS

A DELANTE

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ALGUNOS CASOS HISTRICOS

PresaRuptura de la presa de St. Francis (USA) en 1928

CARACTERSTICAS

7

CARACTERSTICAS

Altura = 61 m

Largura del topo = 183 m

Presa en arco de betn

Capac. del embalse = 47 Mm 3

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Ruptura de la presa de St. Francis (USA) en 1928

RAZONES DE LA RUPTURA:

Se constat que la presa haba sido

8

Se constat que la presa haba sido proyectada para una altura de 55 m y fue aumentada para 61 m, sin que la espesura de la base fuera tambin aumentada. La causa de la ruptura ha sido atribuida a la inestabilidad al derrumbamiento.DERRUBAMENTO

RUPTURA NA BASE

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Ruptura de la presa de St. Francis (USA) en 1928

Altura mxima = 43 m

Lo que ha quedado de la presa despus de la ruptura CRECIDA (OLA):

Cerca de la presa

9

Altura mxima = 43 m

Embalse atrs

Velocidad = 8 m/s (29 km/h)

cuando lleg al Ocano Pacfico situado 87 km a delante

Velocidad = 8 km/h

Largura = 3,2 km

La crecida mat 470 personas, siendo considerado el peor desastre de la Ing. Civil en EUA ocurrido en el Siglo XX

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Caractersticas de las crecidas en ros con fundo m vil

IMPORTANTE:

Incluir en transporte de sedimentos (flujos

El volumen de sedimentos depositados es de la misma magnitud del volumen de agua de la crecida

10

Retirada de Capart el al. 2003

sedimentos (flujos hiperconcentrados)

Evaluar las alteraciones morfolgicas y su impacto en la propagacin de la crecida

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Realizacin de experimentos 1-D e 2-D.

OBJETIVO: Contribuir para la comprensin de los asp ectos ms importantes de la propagacin 1-D y 2-D

modelacin experimentalmodelacin experimental

11

Desarrollo de un modelo 1-D fsicamente consistente , integrando lo transporte de sedimentos.

Desarrollo de un modelo 2-D (en planta).

Anlisis de los resultados experimentales para la c aracterizacin de los fenmenos, la validacin de los modelos mate mticos 1-D y 2-D y su respectiva reformulacin .

modelacin numricamodelacin numrica

modelacin conceptualmodelacin conceptual

FC

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NL Crecidas en ros con fundo mvil

provocadas por la ruptura de presas

Objetivos

MODELACIN EXPERIMENTAL

12

Observacin de los flujos para mejorar el modelo co nceptual.

Obtencin de resultados que permitan retirar alguna s conclusiones de aplicacin prctica.

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9,85

1,8

0

compuertas para mantener el nivel

inicial de agua a delante de la compuerta

paredes de

material alveolar

10,08

pared amovible

0,1

2

b)b)

13Canal visto en planta (LNEC)

atrsdelante 0,5

1,8

0

comporta

canal de recirculacin

pared de

perspex

mecanismo de

levantamiento

paredes de betnconducta de

abastecimiento

pared amovible

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0,2 0,5

2,0

0,5

0,8

2,02,0 1,01,0 1,00,8 1,0

14Canal visto en planta (LNEC)0

,50

,5

Captores de presin(medicin de la evolucin temporaldel nivel de la superficie libre)

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Cmaras de vdeo(medicin de los niveles de lasuperficie libre e del fundo)

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a) b) a)

haste metlica

emissores e receptores

de sinais acsticos

placa para PC

haste metlica

hlices

a) b) a) a) b) a)

haste metlica

emissores e receptores

de sinais acsticos

placa para PC

haste metlica

hlices


Micro-molinetes(medicin de la velocidad)

ADV medidor acstico(medicin de la velocidad)

de sinais acsticosde sinais acsticos

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barra

horizontal

carro

mvel

barra

horizontal

carro

mvel

b)

barra

horizontal

carro

mvel

barra

horizontal

carro

mvel

b)

barra

horizontal

carro

mvel

barra

horizontal

carro

mvel

b)


Seguidor de fundos(medicin del perfil del fondo enel final de cada experimento)

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NL



0,2 0,5

2,0

0,5

0,8

2,02,0 1,01,0 1,00,8 1,0

18Canal visto en planta (LNEC)0

,50

,5

PC con tarjeta

del ADV

aparato de transfor-

cin del sgnale de los

micro-molinetes

puesto fijo

del seguidor

PC para

adquisicin de

datos

fuente de

alimentacin

Spider8-30

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6 Condiciones iniciales en experimentos 16 Condiciones iniciales en experimentos 1--DD

fondo fijo secosin desnivel inicial

COMPORTAMONTANTE

fondo mvil secosin desnivel inicial

COMPORTAMONTANTE

0,40

m

fondo mvil secocon desnivel inicial

COMPORTAMONTANTE

GUA

0,40

m

19

FUNDO FIXO

GUA

JUSANTE0,4

0 m

fondo fijo con aguasin desnivel inicial

COMPORTAMONTANTE

FUNDO FIXO

GUA JUSANTE

GUA0,4

0 m

h j

GUA

FUNDO MVEL

JUSANTEFUNDO MVEL

0,40

m

0,07

m

fondo mvil con aguasin desnivel inicial

COMPORTAMONTANTE

FUNDO MVEL

GUA JUSANTE

GUA

FUNDO MVEL

0,40

m

h j

0,07

m

GUA

JUSANTE

FUNDO MVELFUNDO MVEL

0,40

m

hs m

0,07

m

fondo mvil con aguacon desnivel inicial

COMPORTAMONTANTE

GUA JUSANTE

GUAFUNDO MVEL FUNDO MVEL

0,40

m

h j

hs m

0,07

m

Fondo mvil =Fondo mvil =

arena (s = 2,65)arena (s = 2,65)

piedrapiedra--pmez (s = 1,40)pmez (s = 1,40)

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RESULTADOS EXPERIMENTALES 1-D

FONDO DE ARENA CON AGUA Y CON DESNIVEL INICIAL

20

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4 Condiciones iniciales en experimentos 24 Condiciones iniciales en experimentos 2--DD

fondo fijo secoCOMPORTA

MONTANTE

GUA

0,40

m

fondo mvil secoCOMPORTA

MONTANTE

GUA

0,40

m

21

FUNDO FIXOJUSANTE

GUA

0,40

m

fondo fijo con agua a delanteCOMPORTA

MONTANTE

FUNDO FIXO

GUA

JUSANTE

GUA

0,4

0 m

0,07

mFUNDO MVEL

JUSANTE

0,40

m

0,07

m

fondo mvil con agua a delanteCOMPORTA

MONTANTE

FUNDO MVEL

GUA

JUSANTE

GUA

0,4

0 m

0,07

m

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RESULTADOS EXPERIMENTALES 2-D

FONDO DE PIEDRA-PMEZ

22

Vista frontal

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Crecidas en ros con fundo mvil provocadas por la ruptura de presasMODELACIN CONCEPTUAL

FONDO DE PIEDRA-PMEZ (t = 4 s)

agua limpiaagua limpiaresalto hidrulico

fondo inmvilfondo inmvilsheetsheet--flowflow

OBSERVACIONES EXPERIMENTALESOBSERVACIONES EXPERIMENTALES

23

x = 0 mx = 0 mx = 1 mx = 1 m x = x = --1 m1 m

fondo inmvilfondo inmvil

cavidad de erosin

MODELO CONCEPTUAL MORFOMODELO CONCEPTUAL MORFO--DINMICODINMICO

fundo imvelz b

h c sheet-flow

hh w gua limpa C w= 0

C c

C b = 1 - p

wh w

wh w + c h c uc

uw

ub = 0

( )c c w wh h h= +u u u

( )( )1 1w s C = + ( ) ( )2 2 2 2( ) ( ) ( ) ( )c c c x c y x yC C h u u h u u= + +Media en profundidadMedia en profundidad(depth(depth--average theory)average theory)

NOTA:NOTA:( )

( )

=

ux

y

u

u

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MODELACIN CONCEPTUAL

( )( ) ( )( ) 0s x yz hu hut x y + + =

Ecuaciones de conservacinEcuaciones de conservacin

( )( ) ( )( ) 0e x yz Chu Chut x y + + =

( )u h

22--DD11--DD

24

( )( )( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

2 2 2 21 22

x

w w w c c c w w w w c c cx x

bw w w c c c w w c cx w y x c y bc x

u hu h u h g h h h h

t x

zu u h u u h g h h

y x

+ + + + + + + + = +

( )( )( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

2 2

2 21 22

y

w w w c c c w w w c c cx w y x c y y y

bw w w w c c c w w c c bc y

u hu u h u u h u h u h

t x y

zg h h h h g h h

y

+ + + + + + + + = +

Variables dependientes

cota de la superficie libre s bz h z= +

caudal msico por unidad de largura ( )x

u h ( )yu h

cota del fondo equivalente que tiene en cuenta los sedimentos acumulados en la colona de agua

( )1e b c cz p z C h= +

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Tensin de arrastroTensin de arrastro

(ecuacin de Chzy)(ecuacin de Chzy)bc wR u= u

Altura (sheetAltura (sheet--flow)flow)

((Sumer et al. 1996; Pugh & Wilson 1999Sumer et al. 1996; Pugh & Wilson 1999 ))ch d =

Ecuaciones de cierreEcuaciones de cierre

25

(ecuacin de Chzy)(ecuacin de Chzy)bc wR u= u ((Sumer et al. 1996; Pugh & Wilson 1999Sumer et al. 1996; Pugh & Wilson 1999 ))

Velocidad (sheetVelocidad (sheet--flow)flow)

((Sumer et al. 1996Sumer et al. 1996))( )3 44 2.5 1

7cu g s d=

Concentracin de sedimentosConcentracin de sedimentos

(Bagnold (Bagnold 19661966))

( )( )2

2

8.03

1 1

gR uC

hs R u h

=

Coeficiente nonCoeficiente non--dimensional dimensional de resistencia de Chzy que de resistencia de Chzy que depende del material del fondodepende del material del fondo

Constante que depende del Constante que depende del material del fondomaterial del fondo

Parmetro de ShieldsParmetro de Shields

donde es la velocidad de atritodonde es la velocidad de atrito

( )( )2* 1u g s d = *u Ru=

Constante que depende del Constante que depende del material del fondomaterial del fondo

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Es efectuada con base en los resultados de sheet-fl ow obtenidos por Sumer et al. (1996) y por Pugh y Wilson (1999), usa ndo como parmetro

Evaluacin de los coeficientes empricosEvaluacin de los coeficientes empricos

26

Sumer et al. (1996) y por Pugh y Wilson (1999), usa ndo como parmetro de similitud la velocidad de sedimentacin non-dime nsional ( )dsgww 1* =

Material del fondo (-) (mm) (-) (-) (-)

R(-)

Arena 2,65 0,77 0,89 7,0 0,57 0,007

piedra-pmez 1,40 1,22 1,10 6,6 0,64 0,010

s d *w

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MODELACIN NUMRICA

Esquema de diferencias finitas de MacCormack Esquema de diferencias finitas de MacCormack -- TVDTVD

( ) ( )t x y

+ + =

F U G UUS ( ) ( )

( ) ( )

1, , , ,

1

2

n p c ni j i j i j i j

n n n n

t

t t

+ = + + +

+ +

U U U S U

D D D D

-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,01,0

1,5

2,0

2,5

3,0

a)

distncia-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

b)

distncia

27

( ) ( )( ) ( )( ) ( )( )

, 1, , , 1 ,

, , 1, , 1 ,

,

, 1, , , , 1

, , 1, , ,

se 2,6,...

se 3,7,...

se 4,8,...

n n n n ni j i j i j i j i j


pi j


n n n ni j i j i j i j i j

t tn

x x

t tn

x x

t tn

x x

t t

x x

+ +

+

+

= = = =

U F F G G

U F F G G

U

U F F G G

U F F G G( )1 se 5,9,...n n

=

prev

isi

npr

evis

in

corr

ecci

nco

rrec

cin

( ) ( )( ) ( )( ) ( )( )

, , 1, , , 1

, 1, , , , 1

,

, , 1, , 1 ,

, 1, , , 1

se 2,6,...

se 3,7,...

se 4,8,...

n p p p pi j i j i j i j i j


ci j


n p p pi j i j i j i j i

t tn

x x

t tn

x x

t tn

x x

t t

x x

+

+

+ +

= = = =

U F F G G

U F F G G

U

U F F G G

U F F G G( ), se 5,9,...p j n

=

Eq. de conservacin de masa de Eq. de conservacin de masa de la misturala mistura

Eq. conservacin de cuantidad de movimiento de la mistura

aproximados de Roeaproximados de Roecond. de entropa de Harten e Hymencond. de entropa de Harten e Hymen

limitador de flujo de Van Leerlimitador de flujo de Van Leer

Correccin TVDCorreccin TVDEq. de conservacin de Eq. de conservacin de masa de los sedimentosmasa de los sedimentos

Viscosidad artificial de JamesonViscosidad artificial de Jameson

( ) ( )1 2, 1 2, , 1 2 , 1 2n n n ni j i j i j i jt tx y

+ + + +

D D D D

3

1 2, 1 2, 1 2, 1 2, 1 2, 1 2,

1

11 1

2

n k k k k ki j i j i j i j i j i j

k

ta e

x+ + + + + +

=

= D

( ) ( ) ( ) ( )2 41 2 1 2 1 11 2 1 2 3 3ni i i i i i ii i+ + + + + += + D U U U U U U

-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,01,0

1,5

2,0

2,5

3,0

c)

distncia

FC

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MODELACIN NUMRICA RESULTADOS NUMRICOS 1-D

zs, zc e zb zs, zc e zb

FONDO DE ARENA CON AGUAY CON DESNIVEL INICIAL

FONDO DE PIEDRA-PMEZ SECO Y SIN DESNIVEL INICIAL

28

u u

Perfiles longitudinales

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MODELACIN NUMRICA

PERFILES DE LA SUPERFICIE LIBRE 1-D

Fondo fijo seco sin desnivel inicial

1,21,21,2 Coeficiente R constante no permite una

29

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18X ()

H (

)

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18X ()

H (

)

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18X ()

H (

)

T = 2 T = 3 T = 5 T = 10 T = 20

T = 50 Ritter H = 4/9 numrico

Coeficiente R constante no permite unabuena modelacin de la posicin de la frente.

FC

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NL


MODELACIN NUMRICA


Fondo de piedra-pmez seco sin desnivel inicial

Los resultados numricos ajustan-se bien a los experimentales. Aunque, las soluciones numricas

30

T = 2 T = 3 T = 5 T = 10 T = 20

T = 50 Ritter H = 4/9 numrico fundo fixo

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16X ()

Zs;

Zb

( )

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16

experimentales. Aunque, las soluciones numricaspresentan un estado constante en vez del resalto hidrulico observado en los experimentos (transporte slido en equilibrio).

FC

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MODELACIN NUMRICA


Fondo de arena con agua con desnivel inicial

1,61,6Lo modelo numrico representa bien los resultados experimentales, en particular lo resalto hidrulico

31

T = 2 T = 3 T = 5 T = 10 T = 20

T = 50 Ritter H = 4/9 numrico fundo fixo

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16

X ()

Zs, Z

b (

)

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16

X ()

Zs, Z

b (

)

experimentales, en particular lo resalto hidrulicoque se propaga para delante.

FC

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Crecidas en ros con fundo mvil provocadas por la ruptura de presasMODELACIN NUMRICA

16

18

20

16

18

20

La presencia de agua inicialmente a delante hace con

CELERIDAD DE LA FRENTE DE LA OLA 1-D

Fondo secosin desnivel inicialy con desnivel inicial

Fundo con aguasin desnivel inicialy con desnivel inicial

32

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

X FP (-)

TF

P (

-)0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

X FP (-)

TF

P (

-)

Lo desnivel hace aumentar la celeridad, siendo este efecto ms pronunciado para el fondo ms mvil.

inicialmente a delante hace con que los resultados para arena e piedra-pmez sean iguales.

Aunque exista agua, la celeridad aumenta con lo desnivel inicial.

Dz = 0,00 (areia) Dz = 0,00 (pedra-pomes)

Dz = 0,30 (areia) Dz = 0,29 (pedra-pomes)

numrico (areia) numrico (pedra-pomes)

soluo de Ritter

FC

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RESULTADOS NMERICOS 2-D FONDO DE PIEDRA-PMEZ

zs

33

u(x) u(y)

Vista lateral

FC

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mon

tan

te

0.50.8

1.0

0.5

NIVELES DE LA SUPERFICIE LIBRE 2-D

Fondo de piedra-pmez atrs y fijo y seco a delante

La utilizacin de un coeficiente R

0,0

0,1

0,2

0,3

0 5 10 15 20 25 30

T ()

Zs (

)

Y = 1,3

34

2.0

2.0

1.0

1.0

1.0

Y =

3,8

Y =

2,5

Y =

1,3

jusa

nte

X = 2,5 X = 5,1 X = 7,6 X = 12,6 X = 17,7 numrico

coeficiente Rconstante no permite simular adecuadamente la posicin de la frente de la ola.

T ()

0,0

0,1

0,2

0,3

0 5 10 15 20 25 30T ()

Zs (

)

Y = 2,5

0,0

0,1

0,2

0,3

0 5 10 15 20 25 30

T ()

Zs (

)

Y = 3,8

FC

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NIVELES DE LA SUPERFICIE LIBRE 2-D

El flujo presentams oscilaciones do que lo registrado para fondo seco.

Fondo de piedra-pmez atrs y fijo y con agua a delante

0,00,10,20,30,40,5

0 5 10 15 20 25 30

T ()

Zs (

)

Y = 1,3

35X = 2,5 X = 5,1 X = 7,6 X = 12,6 X = 17,7 numrico

seco.Lo modelo numricoconsigue reproducir adecuadamente estas oscilaciones, o que apunta para una correctamodelacin de las fronteras.

T ()

0,00,10,20,30,40,5

0 5 10 15 20 25 30

T ()

Zs (

)

Y = 2,5

0,00,10,20,30,40,5

0 5 10 15 20 25 30

T ()

Zs (

)

Y = 3,8

FC

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VELOCIDAD DEL FLUJO 2-D

Lo modelo numrico reproduce bien los resultados

Fondo de arena atrs y fijo y con agua a delante

-0,1

0,1

0,3

0,5

, U

p(y

) (

) (X ;Y ) = (2,5;3,8)

mon

tan

te

0.50.8

1.0

0.5

36

reproduce bien los resultados experimentales en ambas las direcciones. As, conclu-se que lo modelo simula adecuadamente las zonas de recirculacin.

-0,5

-0,3

-0,1

0 10 20 30 40 50T ()

Up

(x) ,

-0,5

-0,3

-0,1

0,1

0,3

0,5

0 10 20 30 40 50T ()

Up

(x)

, U

p(y

) (

)

Ux, E2D.3a Uy, E2D.3a Ux, numrico Uy, numrico

(X ;Y ) = (5,0;3,8)

1.0

1.0

Y =

3,8

jusa

nte

FC

T-U

NL

Crecidas en ros con fundo mvil provocadas por la ruptura de presasPRINCIPALES CONCLUSIONES

El aumento de la movilidade del fondo se traduce en un aumento de la resistencia al flujo y en alteraciones significativas del fondo . Estas alteraciones influencian lo andamiento de la superficie libre , con posibilidad de ocurrencia de un resalto hidrulico.

La presencia de un desnivel inicial del fondo provoca la aceleracin del flujo, aumentando la celeridad de la frente de la ola y alterando lo

37

flujo, aumentando la celeridad de la frente de la ola y alterando lo andamiento de la superficie libre .

La modelacin por capas de transporte es adecuada para simular la propagacin de crecidas en canales con fondo mvil.

La hiptesis de transporte slido en equilibrio no permite simularadecuadamente lo resalto hidrulico provocado por las alteraciones del fondo.

Lo modelo 2-D , a pesar de no contabilizar lo efecto de la turbule ncia, consigue reproducir bien la zona de recirculacin .

FC

T-U

NL


38

FC

T-U

NL Flujo en canales compuestos


O que es un flujo en un canal compuesto?

Cauce mayor o llanura de inundacin,

39

Perfil transversal tipo de la seccin de un curso d e agua

Cauce menor o principal, corresponde a la seccin que es ocupada por el flujo en el mayor periodo de tiempo

Cauce mayor o llanura de inundacin, corresponde a la seccin que es ocupada por el flujo en situacin de crecida

FC

T-U



Durante inundaciones, el canal principal no tiene capacidad para descargar toda la agua

40

En estos casos la seccin tpica de un ro es compuesta de un canal principal y una o dos

llanuras de inundacin

El flujo ms rpido en el canal principal interacta con en flujo mas lento en las llanuras de inundacin

generando mas prdida de carga/energa

FC

T-U

NL

Caractersticas del flujo en canales compuestos


Sellin, 1964

Existe un gradiente de velocidades entre el canal principal (flujo ms rpido) e las llanuras de inundacin (flujo ms lento)

Una capa de mescla es

41

Una capa de mescla es generada en la interface del canal principal/llanura de inundacin

Vrtices verticales de grande escala provocan una transferencia de impulso Sellin (1964)

La capacidad de transporte del canal principal se reduce y la de la llanura de inundacin aumenta Shiono and Knight, 1991

FC

T-U

NL

Realizacin de experimentos en rgimen uniforme/non uniforme, fondo liso/rugoso, sin/con vegetacin en las mrgen es.

OBJETIVO: Contribuir para la comprensin de los asp ectos ms importantes de flujos en canales compuestos

modelacin experimentalmodelacin experimental


42

Evaluacin y mejoramiento de modelos conceptuales 1 -D, casi 2-D y 3-D.

Desarrollo de simulaciones 3-D con modelos de turbu lencia isotrpicos y anisotrpicos

Anlisis de los resultados experimentales para la c aracterizacin de los fenmenos, la validacin de los modelos mate mticos 1-D, casi 2-D y 3-D y su respectiva reformulacin .

modelacin numricamodelacin numrica

modelacin conceptualmodelacin conceptual

FC

T-U

NL

Objetivos



caracterizacin detallada del campo turbulento en r gimen uniforme

43

evaluacin del efecto de vegetacin colocada en las mrgenes del canal principal en el campo turbulento

evaluacin de las alteraciones provocadas por regm enes non uniformes

evaluacin de las alteraciones provocadas por llanu ras de inundacin rugosas

FC

T-U


Canal experimental (UBI) Laser Doppler Velocimeter (LDV)


44

FC

T-U


Canal experimental (LNEC)Acoustic Doppler Velocimeter (Vectrino)


45

Ultrasonic Velocity Profiler (UVP)

Pitot tube

FC

T-U


Canal experimental (LNEC)

46

Fondo liso Llanuras de inundacin con vegetacin

Vegetacin en las mrgenes del canal principal

FC

T-U

NL



hr = 0,1 hr = 0,15

hr = 0,2 hr = 0,25

47

hr = 0,3 hr = 0,38

FC

T-U



48

hr=0.2

FC

T-U

NL


Desarrollos:

Influencia del rgimen non uniforme


NUF +53%

49

NUF +53%

NUF +38%

NUF +19%

NUF -19%

FC

T-U


Desarrollos:

Influencia de la rugosidad de las llanuras de inund acin


50

FC

T-U


Desarrollos:

Influencia de rugosidades en la interface


51

sin rugosidades con rugosidades

FC

T-U


Desarrollos: Caracterizacin del campo turbulento


52

FC

T-U


MODELACIN CONCEPTUAL (1-D)

UNIFORM FLOW (d()/dx = 0)

componente gravitacional (peso)

Principios bsicos (concepto de tensin aparente)

53

Main channel:

Floodplain:

Canal principal:

Llanura de inundacin:

FLUJO UNIFORME (d()/dx = 0)

int2 0mc o a o mcgA S h P =

int 0fp o a o fpgA S h P + =

tensin de arrastre junto al fondo

tensin tangencial aparente entre sub-reas

flujo

FC

T-U


MODELACIN 1-D

Modelacin 1-D vs. Resultados experimentales

(%) 100Medido Calculado

Medido

Q Q

Q

=

Evaluacin de los modelos 1-D (errores en caudales)

54

Single Channel Method (SCM)

Divided Channel Method (DCM)

Debord Method (DM)

Coherence Method (COHM)

Weighted Divided Channel Method (WDCM)

Exchange Discharge Method (EDM)

Apparent Shear Stress Model (ASSM)

FC

T-U

NL

Solucin analtica para rgimen uniforme (Shiono an d Knigth, 1991, SKM)

Ecuacin de conservacin del momento en direccin longitudinal( ) ( )0. . ' ' ' 'u v u w gS u v u w

y z y z

+ = + +



( ) ( ) 20 0

.1 1

xyd d

hh u vghS s

y y

= + +

55

Ecuacin integrada en profundidad para rgimen unif orme

componente gravitacional (peso)

tensin de arrastre junto al fondo

tensin tangencial turbulenta debido a los vrtices verticales (capa de mescla)

componente de las corrientes secundarias (vrtices longitudinales)

FC

T-U

NL

Solucin analtica para rgimen uniforme (Shiono an d Knigth, 1991, SKM)

Para los paneles horizontales

MODELACIN CONCEPTUAL (casi 2-D)


56

( ) ( )13 4du C C += + + +

( ) 1 2y ydu C e C e k = + +

Para los paneles inclinados

FC

T-U

NL

Comparacin entre la solucin analtica y los datos experimentales

MODELACIN CASI 2-D


57

FC

T-U

NL

Mejoramiento de la divisin del canal del SKM basad a en la anchura de la capa de mezcla

MODELACIN CONCEPTUAL (casi 2-D)


58

FC

T-U

NL

Solucin analtica SKM con divisin basada en la an chura de la capa de mezcla

hr010s hr020s

hr020r

MODELACIN CASI 2-D


hr020r

59

hr010s

hr020s

FC

T-U

NL

Desarrollos: Verificacin (metodologa Grid Converge Index GCI)

MODELACIN 3-D


60

FC

T-U

NL

Desarrollos: Validacin

a) Numrico (EARSM) b) Experimental

MODELACIN 3-D


61

k- model

FC

T-U

NL

k-equation

L

kC

x

U

x

U

x

U

x

k

xx

kU

t

kD

j

i

i

j

j

it

ik

t

ii

i

23

++

=

+



( )

+=

+

i

t

ii

ixx

CPCkx

Ut

21

Rate of change

Convective transport

Diffusion P = production = Viscous dissipation

Rate of change

Convection Production Dissipation Diffusion 62

-equation

SST model Menter SST k- Model

FC

T-U

NL

( ) ( )

+

+=+

iji

ijijt

x

USSU

t

3

2.2graddivdiv 2



jxt 31,

Rate of change of

Transport of by convection

Transport of by turbulent diffusion

Rate of production of

kk xx

k

+

2,

2

2

2

Rate of dissipation of

Cross-difusion term

63

El objetivo de usar el modelo SST k- es obtener mejores resultados junto al fondo

EARSM model EARSM es derivado de las ecuaciones de transporte de las tensiones

de Reynolds y resulta en una relacin non linear entre las tensiones de Reynolds y los tensores de deformacin y de vorticidad.

FC

T-U

NL

( )ijijji akuu 32+= El objetivo de usar el



( )ijijji akuu 32+=donde aij es el tensor de anisotropa,calculado por el siguiente tensorpolinomial

( )

( )mjlmklikmjlmklikijljklikljklik

kjikkjikijkjikijij

SSIVSS

SSIISa

+

+

++

+=

96

431

3

2

3

1

64

El objetivo de usar el EARSM es averiguar de la influencia de la turbulencia anisotrpica

FC

T-U

NL

Desarrollos: Modelos isotrpicos vs. Modelos anisotrpicos



k- U, (m/s)

k- y SST no tienen

65

SST

EARSM

Las isolineas del EARSM se inclinan as arriba junto la interface debido al flujo secundario (anisotropa)

k- y SST no tienen este comportamiento

FC

T-U

NL

PRINCIPALES CONCLUSIONES

Los modelos 1 -D, incluyendo el DCM y modelos que intentan incluir

Los ensayos experimentales revelan problemas en el establecimiento del rgimen uniforme , capas de mezcla ms fuertes con rugosidad en las llanuras de inundacin y el desaparecimiento de transferencia de momento cuando existe vegetacin en la margen .


66

Los modelos 1 -D, incluyendo el DCM y modelos que intentan incluir la tensin en la interface, fornecen estimativas de caudales poco precisas .

Lo modelo casi 2-D permite mejorar las estimativas , proponiendo-se una divisin fsicamente basada del canal de acuerdo co n la anchura de la capa de mezcla .

La modelacin 3-D incluyendo la anisotropa turbulenta permite simular las corrientes secundarias .

FC

T-U

NL

Gracias por vuestra atencin

67

FIN

João Bento Leal - Repositorio Digital Senescyt: Página...

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