7/23/2019 anlisis numrico resaltos

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Anlisis numrico mediante OpenFOAM de un dispositivo

experimental para la caracterizacin de resaltos hidrulicos

en flujos emulsionados.

Tema D (primera opcin)Arnau Bayon Barrachina

(1), Francisco J. Valls Morn

(2),

Ignacio Andrs-Domnech(2),

P. Amparo Lpez Jimnez(1)

(1)Universitat Politcnica de Valncia. Departamento de Ingeniera Hidrulica y Medio

Ambiente. Cno. de Vera s/n 46022 Valencia.

(2)Universitat Politcnica de Valncia. Instituto Universitario de Ingeniera del Agua y Medio

Ambiente (IIAMA). Cno. de Vera s/n 46022 Valencia.

palopez@upv.es

Las obras de disipacin de energa en las presas de gravedad vertedero son elementos de importancia vital parael conjunto de la infraestructura, por cuanto deben garantizar una disipacin de energa importante y un reintegrodel flujo al cauce aguas abajo en condiciones hidrulicas subcrticas que mitiguen al mximo los problemas deerosin y descalce inducidos por velocidades excesivas.

La aireacin forzada del flujo supercrtico en la rpida por medio de aireadores se presenta como una medida deactuacin para mejorar el funcionamiento hidrulico de las obras de disipacin de energa de pie de presa [1].Adems de disminuir o minimizar el riesgo de daos por cavitacin en la propia rpida, el emulsionamientoaumenta el calado del flujo y le hace perder velocidad. Por esto, disminuye el nmero de Froude del flujosupercrtico de acceso al cuenco, generndose de este modo unas condiciones de entrada menos exigentes queredundarn en un resalto hidrulico ms estable y con una mayor disipacin de energa en el conjunto de la obra.

Resulta por tanto necesario, de cara al diseo de dichos aireadores y a la validacin de la idoneidad delfuncionamiento hidrulico de estas estructuras en presas existentes, analizar en qu medida la cantidad de aireemulsionado repercute en la respuesta del resalto hidrulico: relacin de calados conjugados, longitud delresalto, etc.

Para alcanzar estos objetivos, se ha diseado un nuevo dispositivo experimental (ver Figura 1-izquierda) basadoen [2] que permita la caracterizacin de flujos supercrticos emulsionados y el posterior anlisis de resaltoshidrulicos en este tipo de flujos, en un canal rectangular horizontal (resalto hidrulico clsico en flujoemulsionado), como paso previo a su caracterizacin en cuencos simples.

Figura 1. Izq.: dispositivo experimental para la caracterizacin de resaltos hidrulicos clsicos en flujosemulsionados; Der.: ejemplo de representacin grfica del campo de velocidades obtenido mediante CFD.

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Los resultados experimentales se han contrastado posteriormente con un modelo numrico mediante tcnicas demecnica de fluidos computacional (CFD). La CFD consiste en el empleo de recursos informticos para laaproximacin numrica de las Ecuaciones de Navier-Stokes, esto es, las ecuaciones diferenciales con derivadasparciales que gobiernan el comportamiento de los fluidos para las que, en la mayora de aplicaciones, no existesolucin analtica [3].

Con ello, amn de describir el comportamiento de cualquier flujo en general, es posible inferir en el

comportamiento de las estructuras hidrulicas antes mencionadas en funcin de su rgimen de evacuacin, ascomo hallar la geometra ptima segn sus condiciones de funcionamiento.

El modelo propuesto se basa en el empleo la plataforma OpenFOAM [4], de cdigo abierto y acceso libre, queincorpora diferentes mdulos para la resolucin de problemas de flujos bifsicos. Por su relativa sencillezcomputacional, se emplea un modelo de cierre RANS de las Ecuaciones de Navier-Stokes, concretamente, elmodelo PIMPLE en rgimen transitorio con distintos tipos de modelado de turbulencia: k-epsilon, k-omega, etc.Con ello, es posible obtener las condiciones de velocidad y presin instantneamente en todo el dominiomodelado durante el perodo simulado, as como otras variables de inters propias de los flujos multifsicos,como, en este caso, la distancia al resalto hidrulico, el calado conjugado mayor aguas abajo de ste, ladisipacin de energa que supone, etc.

A fin de modelar el flujo de este problema, de naturaleza bifsica, se emplea el mtodo VoF (Volume ofFluids), que permite aproximar las condiciones de un flujo compuesto por dos fluidos separados por unainterfaz [5].

Dicho modelo se basa en la resolucin de una ecuacin adicional de transporte de una propiedad que indica enqu proporcin cada uno de los dos fluidos ocupa cada elemento del dominio geomtrico en cada instante.Ciertamente, no se define una interfaz entre fluidos en sentido estricto, sino que sta viene dada implcitamentepor un campo de valores entre 0 y 1 a lo largo de todo el dominio, discretizado mediante una malla como la de la

Figura 1-derecha.

Pese a su sencillez, este mtodo arroja generalmente buenos resultados a costes computacionales relativamentebajos, como demuestra [6], que consigui modelar satisfactoriamente un aliviadero de presa empleando elmtodo VoF implementado en un modelo RANS k-epsilon.

El mdulo de OpenFOAM empleado en el presente trabajo permite tambin resolver los efectos causados porla tensin superficial en la interfaz entre ambos fluidos y objetos slidos. Sin embargo, dada la relativa poca

trascendencia de este tipo de fuerzas en un problema de estas caractersticas, no es de esperar que esta variableejerza una gran influencia sobre los resultados.

La validacin del modelo se lleva a cabo por contraste con los datos experimentales obtenidos gracias un modelofsico desarrollado por el Laboratorio de Hidrulica y Obras Hidrulicas de la Universidad Politcnica deValencia.

Referencias

[1] Fernndez Bono, J. F. y Valls Morn, F. J., Criterios metodolgicos de adaptacin del diseo de cuencosde disipacin de energa a pie de presa con resalto hidrulico, a caudales superiores a los de diseo. XXIICongreso Latinoamericano de Hidrulica. Ciudad Guayana, Venezuela, 2006.

[2] Kramer, K., "Development of aerated chute flow". PhD Thesis. Zrich, 2004.[3] Anderson, J. D.; Grundmann, R.; Dick, E.; Degrez, G. y Vierendeels, J., Introduction to ComputationalFluid Dynamics, Von Karman Institute for Fluid Dynamics, 2010.

[4] The OpenFOAM Fundation, OpenFOAM: The Open Source CFD Toolbox User Guide, The Free SoftwareFoundation Inc., 2011.

[5] Hirt, C. y Nichols, B., Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries, Journal ofComputational Physics , 1981, 39, 201 225.

[6] Zhenwei, M.; Zhiyan, Z. y Tao, Z., Numerical Simulation of 3-D Flow Field of Spillway based on VOF,Method Procedia Engineering , 2012, 28, 808 812.