bases conceptuales hidrÁulicas ejemplos · • modelación numérica en ríos: herramienta para el...
TRANSCRIPT
Modelo de flujo bidimensional
en ríos y estuarios
BASES CONCEPTUALES HIDRÁULICAS
EJEMPLOS
El modelo Iber
Introducción
Turbillon CARPA
GiD
TRANSPORTE DE SEDIMENTOS
Carga en suspensión
Carga de fondo
HIDRODINÁMICA
Velocidad
Calado
El modelo Iber
Introducción
TURBULENCIA
Viscosidad turbulenta
Energía turbulenta y disipación
Módulos de cálculo
• Modelación numérica en ríos: herramienta para el estudio de calados y velocidades para la resolución de problemas de ingeniería y dinámica fluvial (ríos y estuarios):
– Delimitación de zonas inundables – Diseño de encauzamientos y obras de protección – Restauración de ríos – Planes de emergencia en roturas de presa – Optimización del funcionamiento de obras hidráulicas
El modelo Iber
Introducción
1D Cuasi-2D 2D 3D
Tramos largos de ríos
Ríos con desbordamientos localizados
Estuarios Flujo local
Canales Tramos cortos de ríos Vertederos
Llanuras de inundación Pilas de puentes
Flujo fuera de cauces
Obras hidráulicas
+ COSTE
+ PRECISIÓN (en general) + ECONÓMICO
+ SIMLIFICADO
-60 -40 -20 0 20 40 60 8042
44
46
48
50
52
54
56
58
60
RS = 28951.6
Station (m)
Ele
vatio
n (m
)
Legend
EG 01JAN2000 0733
WS 01JAN2000 0733
Ground
Bank Sta
.028
El modelo Iber
Introducción
1D
19667.419628.2*19550.019509.4*19428.219364.6
19254.1*19160.8
19062.618972.318898.5*18805.7
18710.718617.8
18508.7*18431.1*18324.4
18229.2*18127.918001.217870.6
17764.1*17671.8*17591.5*17496.817398.1
-60 -40 -20 0 20 40 60 8042
44
46
48
50
52
54
56
58
60
RS = 28951.6
Station (m)
Ele
vatio
n (m
)
Legend
EG 01JAN2000 0733
WS 01JAN2000 0733
Ground
Bank Sta
.028
•Movimiento en la dirección del eje
•Nivel constante en una sección
•Velocidad uniforme
El modelo Iber
Introducción
2D
• En cada punto: calado, Vx, Vy
• Salto cualitativo en: información geométrica tiempo de cálculo
Introducción El modelo Iber
Introducción
Llobregat 1982
Río Júcar 1982
Riera de Les Arenes 1962
Terrassa 1971
El modelo Iber
Introducción
2D
Ecuaciones del flujo en lámina libre:
Conservación de la masa
Conservación de la cantidad de
movimiento (2ª ley de Newton) (alternativamente: conservación de
la energía)
El modelo Iber
Ecuaciones Hidrodinámicas
A partir de las ecuaciones de Navier-Stokes (fluido newtoniano e isotropo en 3D):
Navier-Stokes
conservación masa
+
2ª ley de Newton
Reynolds Promedio temporal
Integración en la vertical
Saint Venant 2D
(aguas someras)
u u u 2
12 1
1 t
t
u udtt t
: promedio en la verticaluu: valor instantaneo: fluctuaciones turbulentasu
: promedio temporalu
0
0
1 z h
zu u dz
h
Las variables en un modelo 2D son promediadas en la profundidad
El modelo Iber
Ecuaciones Hidrodinámicas
Ecuaciones de aguas someras 2D
yx
2 2x y b,xbx x x x
t t
2 2y x y y b,y y yb
t t
qqh 0t x y
q q τzq q U Uhg gh ν h ν ht x h 2 y h x ρ x x y y
q q q q τ U Uzhg gh ν h ν ht x h y h 2 y ρ x x y y
Distribución de presión hidrostática
Velocidad uniforme en profundidad h, Ux, Uy
El modelo Iber
Ecuaciones Hidrodinámicas
Forma vectorial:
q: caudal específico
t
U F H
2 2x x
t t
2 2y y
t t
0
U U; ; ( ) ν h ν h2 x x y y
U U( ) ν h ν h2 x x y y
x y
x yx
x ox fx
y
x y y
oy fy
q qh
q qq hq g gh S S
h hq
q q q hg gh S S
h h
U F H
2 2 2 2 2 2
4 3 4 3;fx fy
u u v n v u v nS S
h h
Pendiente
motriz:
(Ec. en forma conservativa)
El modelo Iber
Ecuaciones Hidrodinámicas
• Sistemas de ecuaciones hiperbólicos: teoría de las características (bicaracterísticas)
x
y
ct
(ut,vt)
(cos , sen )
( sen , cos )
0 0( 2 )
( )cos ( )senn t
x fx y fy
d u c ug S S g S S
dt
(Ecuación válida sobre el cono característico)
El modelo Iber
Ecuaciones Hidrodinámicas
Las características Proporcionan información importante del comportamiento de la solución.
x
t R. LENTO (Fr<1)
Dominio de dependencia de P
Característica positiva C
Característica negativa C
P
dx dt v c dx dt v c
c celeridad gh
El modelo Iber
Ecuaciones Hidrodinámicas
c celeridad gh
x
t R. RÁPIDO Fr>1
Dominio de dependencia de P
Característica positiva C
Característica negativa C
P
dx dt v c dx dt v c
El modelo Iber
Ecuaciones Hidrodinámicas
• Nº condiciones según teoría de las características Entrada Salida
R. Lento 2 1
R. rápido 3 0
El modelo Iber
Condiciones de contorno
LENTO RÁPIDO
tn
tn+1
tn
tn+1
Calado constante Salida en ríos, canales
Calado variable en tiempo
Marea
Condición de vertedero
Sección de control
curva de gasto
Caudal total constante
Entrada en ríos, canales
Hidrograma
Avenidas en ríos
Contornos abiertos
Condición de vertedero
Hidrograma
El modelo Iber
Condiciones de contorno
El modelo Iber
Hidrodinámica
Contornos abiertos
Calado variable en tiempo
Onda de marea
Fórmula de Manning
22yx
b,x b,y4/3 4/3
n U Un U Uτ ρ g h τ ρ g h
h h
El modelo Iber
Fricción de fondo
El modelo Iber
Fricción de pared
Deslizamiento libre
Ríos, zonas costeras
Rozamiento
Canales, estructuras
hidráulicas
*
S
u yu Ln 30κ K
Zonas inundables
T = 500 años
h > 0 m
Vía de intenso desagüe
Δ Zs < 0.3 m (0.1 - 0.5)
Daños graves para personas y bienes
h > 1 m
V > 1 m/s
q > 0.5 m2/s
Zona de flujo preferente
T=100 años
RD 9/2008 Modificación RDPH
El modelo Iber
Dominio Público Hidráulico
El modelo Iber
Hidrodinámica
Herramientas de soporte para determinación vía intenso desagüe
•Línea y distancia •Polígono
El modelo Iber
Hidrodinámica
Zonas de riesgo Zonas inundables
El modelo Iber
Frentes Seco-Mojado
t = 0 h
t = 4 h
Mojado si h > tolerancia (ewd)
Método estable, conservativo, no difusivo
3 Métodos distintos para el secado cuando Velemento<Dt·SQsalida
• Secado normal: calado negativo (inestabilidades si h pequeño)
• Secado estricto: reducción Dt (aumento tiempo de cálculo)
• Secado hidrológico: reducción caudal de salida (disminuye precisión con v alta y h pequeño)
El modelo Iber
Frentes Seco-Mojado
ewd
ewd
h<0
0<h<ewd
h=0
ewd
El modelo Iber
Ejemplo 1: Influencia acondicionamiento carretera
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000
Cab
al (m
3/s)
Temps (s)
T = 500 anys
T = 100 anys
T = 10 anys
El modelo Iber
Ejemplo 1: Influencia acondicionamiento carretera
El modelo Iber
Ejemplo 1: Influencia acondicionamiento carretera
El modelo Iber
Ejemplo 1: Influencia acondicionamiento carretera
El modelo Iber
Ejemplo 1: Influencia acondicionamiento carretera
El modelo Iber
Ejemplo 1: Influencia acondicionamiento carretera
El modelo Iber
Ejemplo 1: Influencia acondicionamiento carretera
- Evaluación del efecto del río en el puerto de Tarragona - Evaluación de variables como velocidad, caudal, acción hidrodinámica, etc. -Propuesta de dos escenarios de cálculo de acuerdo a las nuevas infraestructuras diseñadas en el puerto
Escenario 1 Escenario 2
El modelo Iber
Ejemplo 2: Actuaciones en el Puerto de Tarragona
Velocidad
Cota de agua
Número de Froude
El modelo Iber
Ejemplo 2: Actuaciones en el Puerto de Tarragona
- Representación vectorial de la velocidad (magnitud)
El modelo Iber
Ejemplo 2: Actuaciones en el Puerto de Tarragona
Capacidad de erosión
El modelo Iber
Ejemplo 2: Actuaciones en el Puerto de Tarragona
El modelo Iber
Ejemplo 3: Riesgo inundación en Andorra
• Base topográfica obtenida a partir de vuelos LIDAR. (puntos cada 0.5 m)
El modelo Iber
Ejemplo 3: Riesgo inundación en Andorra
El modelo Iber
Ejemplo 3: Riesgo inundación en Andorra
El modelo Iber
Ejemplo 3: Riesgo inundación en Andorra
El modelo Iber
Ejemplo 3: Riesgo inundación en Andorra
Capacidad de arrastre
V = 278000m3
Calado = 5m
El modelo Iber
Ejemplo 4: Rotura instantánea balsa
Malla de 30104 elementos
Condiciones iniciales: y=5m en la balsa
El modelo Iber
Ejemplo 4: Rotura instantánea balsa
El modelo Iber
Ejemplo 4: Rotura instantánea balsa
El modelo Iber
Ejemplo 4: Rotura instantánea balsa