trabajo encargado

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANOESCUELA DE POST GRADO

FACULTAD DE INGENIERÍA AGRÍCOLA

MAESTRIA EN CIENCIAS DE LA INGENIERÍA AGRÍCOLA

MENCION EN INGENIERÍA DE RECURSOS HIDRICOS

CURSO: PLANEAMIENTO Y DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS

TRABAJO ENCARGADO Nº 01

TEMA: MODELACION DE FLUJOS 1D Y 2D EN OBRAS HIDRAULICAS

Docente: M.Sc. ROBERTO ALFARO

Estudiante: YSAIAS CHOQUEGONZA HUIRACOCHA

I. Los siguientes detalles son conocidos del aliviadero que se muestra :Q=400 m3/sC=1.78So=0.002 m/mKs=100 mm (rugosidad) considerar como rugoso (δ=0)ho= 2.7 m

V=18 log( 6 Rk s2 + δ7 )√RS

Q=CL ho3 /2

DESARROLLO:a) Calcular el ancho requerido L del aliviadero.

L= QCho

3 /2

L = 51 m.

b) Calcular los niveles hidráulicos aguas abajo (y1 and y2) así como el tirante de flujo normal (yn).El tirante y1 en la sección al pie del cimacio queda obligado por el gasto y la altura de dicha caída. Dicho tirante debe ser el conjugado menor del salto para que este se inicie en dicha sección. Su conjugado mayor y2 debe ser el tirante normal en el canal si se quiere impedir que se mueva a otra posición (Sotelo, 2002)

Caudal unitario

q=QL

q=¿ 7.84 m2/s.Velocidad con que el agua se aproxima al cimacio es

V o=q

P+ho

Calculo de radio hidráulico R sobre el cimacio.R=2ho+LR = 2(2.70)+51R = 56.4 mSo = 0.002 m/m

Calculo de Velocidad en la seccion 1

V 1=18 log( 6 Rks2

+ δ7 )√RS

V1 = 17.11 m/seg

Calculo de rugosidad por Manning.

V=1nR2/3S1 /2

n=0.038

Calculo de tirante menor en la sección 1

y1=qV 1

y1=0.46m

Energía en la sección 1

E1= y1+V 12

2gE1 = 0.46 +14.92E1 = 15.38 m Determinación de la altura umbral del aliviadero.

P+ho= y1+V 12

2 gP = 12.68 mCalculo de tirante mayor en la sección 2

y2=− y12

+√( y12 )2

+2(V 12 x y12g )y2=3.33m

Calculo de en la sección 2

y2=qV 2

V 2=2.35m /seg

Calculo de energía en la sección 2

E2= y2+V 22

2gE2 = 3.33+2.35E2 = 5.68 m

Calculo de perdida de energía.hs=E1−E2hs=15.38−5.68hs=9.70mEl tirante norma en el canal debe ser yn=3.33m, con el cual se obtiene los elementos geométricos de su sección, como sigue.

A =51(3.33) = 169.83 m2.P = 51+2(3.33) = 57.66 mR = 169.83/57.66 = 2.945 m

De la ecuación de Manning, la pendiente necesaria calculada es.

Sc=( 2.35(0.038)(2.945)2/3 )2

Sc=0.001889=0.002

De acuerdo con el USBR, de la figura resulta L jy2

=5.75 y la longitud de salto es

L j=5.75 (3.33 )=19.1475m=20mCondiciones:

Si So<Sc, se forma un tirante normal yn> y2 el salto se mueve hacia arriba ahogando o sumergido al pie del vertedor.

Si So>Sc, se forma un tirante normal yn< y2 el salto hidráulico se mueve hacia abajo y se forma un salto libre en el pie del vertedor.

Si So=Sc, se forma un tirante normal yn= y2 el salto hidráulico es normal en el vertedor.

Por lo tanto So = 0.002 m/m es igual Sc=0.002 por lo tanto el efecto del tirante de salida en la posición del salto hidráulico es normal.

II. Calcular la red de flujo de un sistema formado por una presa de pequeña altura con una pantalla impermeable.Las características geométricas del problema corresponden al siguiente croquis:

Es evidente que antes de afrontar cualquier problema es necesario tener acotado geométricamente los contornos exteriores contactos entre distintos materiales, puntos de borde, condiciones de contorno, etc.La caracteristica fundamental que caracteriza el comportamiento hidraulico del terreno es la permeabilidad que ára nuestro terreno tiene un valor de

k y=k x=10−5m /s , la geometría del problema y las condiciones de borde o

contorno van a definir la red de flujo resultante.

II.1.Arranque.

II.2.Ejes de referencia.

II.3.Puntos.

II.4.Croquis

Distancia (m)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Elevacion (m)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

II.5.Malla y condiciones de contorno.

Distancia (m)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Elevacion (m)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

II.6.Aplica contorno.

Distancia (m)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Elevacion (m)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

II.7.Calculo.Líneas equipotenciales y líneas de flujo de potenciales mayores a menores

Distancia (m)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Elevacion (m)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Valores etiquetados de líneas equipotenciales de 9 a 6 en los extremos

6

6.2

6.4

6 .6

6.8

7

7.2

7.4

7.6

7 .8

8

8.2

8.4

8.6

8 .8

9

Distancia (m)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Elevacion (m)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Presión de agua en poros varia de 0 en aguas abajo y en aguas arriba llega a 30 asi ascendiendo hasta 80 la presión en los poros.

0 5

15

25

30 35

35

40 45

45

50 55

55

60 65

65

70 75

80

Distancia (m)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Elevacion (m)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

II.8. GraficasPresión hidráulica en los poros en contacto con la estructura de concreto (cimentación)

CIMENTACION

Total H

ead (m)

Distance (m)

6

7

8

9

0 2 4 6 8 10

Distance (m) Total Head (m)0 91 8.78771314 7.96878165 7.22252448 6.565472410 6.3071146

Carga de presión en en dirección X

CIMENTACION

Total H

ead (m)

X (m)

6

7

8

9

6 7 8 9 10

X (m) Total Head (m)6 97 8.78771317 7.96878168 7.22252448 6.565472410 6.3071146

Presión causada por la estructura de cimentación sobre la presión de agua sobre la porosidad en la dirección de X.

CIMENTACION

Pore-W

ater Pressure (kP

a)

X (m)

0

10

20

30

40

50

6 7 8 9 10

X (m) Pore-Water Pressure (kPa)6 29.4217 27.33910237177 48.72884115128 41.41029679088 5.545587826810 3.011872882200002

Variación piezometrica, causada por la presión del agua depositada en total de altura.

POTENCIAL

Total H

ead (m)

Distance (m)

8.4

8.5

8.6

8.7

8.8

8.9

9

0 1 2 3 4 5 6

Distance (m) Total Head (m)0 90.5 8.92775341 8.8567341000000011.5 8.7881423000000012 8.7231372999999992.5 8.6628336000000013 8.6082920000000013.5 8.5604913000000014 8.5202858999999994.5 8.4883662999999995 8.46524085.5 8.451243699999999

6 8.4465586

Piezómetro en dirección Y

POTENCIAL

Total H

ead (m)

Y (m)

8.4

8.5

8.6

8.7

8.8

8.9

9

0 1 2 3 4 5 6

Y (m) Total Head (m)0 8.44655860.5 8.4512436999999991 8.46524081.5 8.4883662999999992 8.5202858999999992.5 8.5604913000000013 8.6082920000000013.5 8.6628336000000014 8.7231372999999994.5 8.7881423000000015 8.8567341000000015.5 8.92775346 9

II.9. Líneas de flujo.Rutas de flujo en partes.

6

6.2

6.4 8.6

8 .8

9

Distancia (m)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Elevacion (m)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Rutas de flujo en vectores.

6

6.2

6.4 8.6

8 .8

9

Distancia (m)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Elevacion (m)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

II.10. Visualización. Dibujo de otras curva caso flujo del agua versus gradiente en XY

0.05 0.05

0.1

0.1

5

0.15

0.2 0 .5

0.5

Distancia (m)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Elevacion (m)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Dibujo de otras curva caso flujo del agua versus velocidad en XY

5e -00

7 5e -007

1e -006

1.5

e -00

6 1 .5e -006

2e-006

5e -006

5e-006

1.112e-005 m³/sec

Distancia (m)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Elevacion (m)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Caudal que atraviesa en la sección indicada a la uña de la estructura.

1.112e-005 m³/sec

Distancia (m)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Elevacion (m)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

III. Utilice HEC RAS para encontrar la velocidad, la profundidad de flujo y la profundidad critica (imprima la pantalla de la sección transversal aguas arriba

(múltiple impresión)) del siguiente canal trapezoidal simple con 170+#, 280+#, 340+# m3/s que fluyen en él? La longitud es de 600 metros con una cota aguas arriba de 4012.20 metros y la elevación del lecho aguas abajo es de 4006.10 m. la base del canal es de B1=30.50+# metros de ancho y el talud lateral es de 45 grados. n Manning se supone que es 0.035. calcular los resultados utilizando el tirante normal aguas abajo como la condición de borde. Comprobar la respuesta con la calculadora. Nota: es probable que necesites un mínimo de tres secciones transversales y una profundidad de unos 3 metros.Nota 1: variar los caudales y la base B1.

DESARROLLO.

Calculo de la pendiente:

So=4012.20−4006.1

600 = 0.010166 m/m

Pagina principal de hec ras 4.1.

Edit/enter geometric data.

River reach/escribir nombre del rio y del tramo en estudio OK

Nos da como resultado lo siguiente

Cross section.

Options/add new cross sections/aceptar

Options/add new cross sections/escribir la estación o sección a estudiar Ok

Luego se escribe en la descripción de la sección los datos correspondientes los valores en cross section coordinates , Dowstream reach Lengths (longitud del tramo aguas debajo de la sección a la sección anterior) Manning n values LOB (izquierda) Chanel (canal o cauce) ROB (derecho) en Main channelbank stations (estaciones del canal principal sobre el banco) determina a partir de donde es canal principal , coef/exp coeficient (study flow) en el estudio d eflujo se debe considerar si el coeficiente de contracción o expansión.

Entonces procederemos a llenar los datos que nos solicita el programa y clic en apply data.

Como se ve en plot/plot cross sections (in separate Windows)… nos aparece una ventana luego en ella se procede:File/copy plot to clipboart y pegamos a este informe y nos da el siguiente imagen.

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 204006.0

4006.5

4007.0

4007.5

4008.0

4008.5

4009.0

4009.5

TRABAJOHEC Plan: inicio del canal

Station (m)

Elev

atio

n (m

)

Legend

Ground

Bank Sta

.035 .035 .035

Como requisito mínimo tres secciones transversales, nos indica el problema por lo tanto optaremos con fines del presente estudio cuatro secciones transversales con los siguientes tramos: 0+000, 0+200, 0+400 y 0+600 con una diferencia de elevación a una pendiente constante de 6.10 m y por tramo le correspondería a cada 200 metros 2.03m de elevación respecto al tramo aguas abajo.También nos indica como nota el problema que podemos variar la base del canal daremos para la sección del canal 0+200 B=25 m, sección 0+400 B=35m, sección 0+600 B=30.50, por lo tanto a introducir los valores o datos de cada sección o estación del rio.

Para estación o sección del canal 0+200 conservando su pendiente constante a 0.010166.

Procedemos a generar otras secciones de estación y seguimos los mismos procesos del anterior para el caso de 0+200

Cuya sección es.

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 204008.0

4008.5

4009.0

4009.5

4010.0

4010.5

4011.0

4011.5

TRABAJOHEC Plan:

Station (m)

Elev

atio

n (m

)

Legend

Ground

Bank Sta

.035 .035 .035

Para 0+400

Su sección será.

-30 -20 -10 0 10 20 304010.0

4010.5

4011.0

4011.5

4012.0

4012.5

4013.0

4013.5

TRABAJOHEC Plan: tercera seccion

Station (m)

Elev

atio

n (m

)

Legend

Ground

Bank Sta

.035

.035 .035

Para la sección 0+600.

Su sección es la siguiente.

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 204012.0

4012.5

4013.0

4013.5

4014.0

4014.5

4015.0

4015.5

TRABAJOHEC Plan: cuarta seccion

Station (m)

Elev

atio

n (m

)

Legend

Ground

Bank Sta

.035 .035 .035

Cuyo vista en planta es la siguiente:

Antes siempre debemos guardar los procesos anteriores y ahora Presionamos pestaña view profiles y nos da el siguiente imagen de perfil del canal.

0 100 200 300 400 500 6004006

4007

4008

4009

4010

4011

4012

4013

TRABAJOHEC Plan:

Main Channel Distance (m)

Elev

atio

n (m

)

Legend

Ground

Llavini Bocatoma

Ahora asignaremos caudales por medio de la ventana principal, puesto que hec ras está diseñado para caudales picosPresionamos la pestaña Edit/steady flow data, o ingresar por la ventana.Entones el problema nos plantea tres caudales por lo tanto en la pestaña de enter/edit number of profiles (25000 max) escribiremos 2 por la condición del problema de sus caudales. Lo que nos generara los perfiles hidráulicos que están ligados a diferentes periodos de retorno en donde apertura las correspondientes ventanas para asignación de caudales.

Podemos cambiar su denominación correspondiente por la pestaña A PERIODOS DE RETORNO PR de caudal en cada ventana.Options/edit profile names

Y okLuego insertamos los caudales del planteamiento del problema para diferentes periodos de retorno como 170+#, 280+#, 340+# m3/s, como se muestra en la figura.

Ahora insertaremos las condiciones del borde del canal por la ventana de reach Boundary Conditions presionamos allí y ahí tenemos cinco opciones para elegir.Known W S, Critical Depth, Normal Depth, Rating Curva y Delete.Generalmente en este tipo se trabaja con tirante normal (Normal Depth). Y presionamos nos pide la pendiente de aguas abajo (downstream slope), lo cual debemos escribir S=0.010166

Y ok, ok, Apply Data y luego guardamos como archivo de caudales de diseño y ok

Como vemos se va ampliando el llenado de las pestañas caso como geometry (geometría del canal), steady flow (caudales) y Project (proyecto).

Ahora procedemos a analizar como flujo permanente con Run/steady flow analysis o con la ventana perform a steady flow simulation. Por medio de la ventana general.

Luego también debemos guardar para este ventana un archivo File/save plan/escribiremos el archivo como plan 1/ ok / escribiremos su identificador como planuno/ok/ luego pichamos el régimen de flujo subcritco/ compute

Y closeAhora veremos las secciones y la pendiente con agua o fluido para diferentes periodos de retorno.

Pendientes:

0 100 200 300 400 500 600 7004006

4008

4010

4012

4014

4016

TRABAJOHEC Plan: plan 1 03/02/2016


Elev

atio

n (m

)

Legend

EG PR = 50 AÑOS

WS PR = 50 AÑOS

Crit PR = 50 AÑOS

Ground

Llavini Bocatoma

0 100 200 300 400 500 600 7004006

4008

4010

4012

4014

4016



Elev

atio

n (m

)

Legend

EG PR = 100 AÑOS

WS PR = 100 AÑOS

Crit PR = 100 AÑOS

Ground

Llavini Bocatoma

0 100 200 300 400 500 600 7004006

4008

4010

4012

4014

4016



Elev

atio

n (m

)

Legend

EG PR = 200 AÑOS

WS PR = 200 AÑOS

Crit PR = 200 AÑOS

Ground

Llavini Bocatoma

Ahora vamos en el icono de view cross sections/options/profiles en donde seleccionamos al lado derecho para ver sus comportamientos del caudal en sus diferentes periodos de retorno y ok

Sección transversal 0+000 con caudal según periodo de retorno de 50, 100 y 200 años

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 204006.0

4006.5

4007.0

4007.5

4008.0

4008.5

4009.0

4009.5

TRABAJOHEC Plan: plan 1 03/02/2016 inicio del canal

Station (m)

Elev

atio

n (m

)

Legend

EG PR = 200 AÑOS

EG PR = 100 AÑOS

WS PR = 200 AÑ OS

Crit PR = 200 AÑ OS

EG PR = 50 AÑOS


WS PR = 100 AÑ OS

WS PR = 50 AÑOS

Crit PR = 50 AÑOS

Ground

Bank Sta

.035 .035 .035


-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 204008

4009

4010

4011

4012

TRABAJOHEC Plan: plan 1 03/02/2016 segunda seccion

Station (m)

Elev

atio

n (m

)

Legend

EG PR = 200 AÑOS

EG PR = 100 AÑOS

WS PR = 200 AÑ OS


EG PR = 50 AÑOS


WS PR = 100 AÑ OS

WS PR = 50 AÑOS

Crit PR = 50 AÑOS

Ground

Bank Sta

.035 .035 .035


-30 -20 -10 0 10 20 304010.0

4010.5

4011.0

4011.5

4012.0

4012.5

4013.0

4013.5

TRABAJOHEC Plan: plan 1 03/02/2016 tercera seccion

Station (m)

Elev

atio

n (m

)

Legend

EG PR = 200 AÑOS

EG PR = 100 AÑOS

WS PR = 200 AÑOS

WS PR = 100 AÑOS

EG PR = 50 AÑOS

WS PR = 50 AÑOS

Ground

Bank Sta

.035 .035 .035


-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 204012.0

4012.5

4013.0

4013.5

4014.0

4014.5

4015.0

4015.5

4016.0

TRABAJOHEC Plan: plan 1 03/02/2016 cuarta seccion

Station (m)

Elev

atio

n (m

)

Legend

EG PR = 200 AÑOS

EG PR = 100 AÑOS

WS PR = 200 AÑOS

Crit PR = 200 AÑOS

EG PR = 50 AÑOS

Crit PR = 100 AÑOS

WS PR = 100 AÑOS

WS PR = 50 AÑOS

Crit PR = 50 AÑOS

Ground

Bank Sta

.035 .035 .035

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 204012.0

4012.5

4013.0

4013.5

4014.0

4014.5

4015.0

4015.5

4016.0

TRABAJOHEC Plan: plan 1 03/02/2016 cuarta seccion

Station (m)

Elev

atio

n (m

)

Legend

EG PR = 200 AÑOS

EG PR = 100 AÑOS

WS PR = 200 AÑ OS


EG PR = 50 AÑOS


WS PR = 100 AÑ OS

WS PR = 50 AÑOS

Crit PR = 50 AÑOS

Ground

Bank Sta

.035 .035 .035

Representación gráfica tridimensional

600

400

200

0


Legend

WS PR = 50 AÑOS

WS PR = 100 AÑOS

WS PR = 200 AÑOS

Ground

Bank Sta

Cuadro de resultados: características hidráulicas del flujo para diferentes periodos de retorno.

IV. DISIPACION DE ENERGIA DEL FLUJO EN UNA ESTRUCTURA DE CAIDA VERTICAL MEDIANTE MODELO FLOW 3D.

DESCRIPCION DEL PROBLEMA Y OBJETIVOS.El flujo de agua a través de una estructura de caída vertical se simulará donde la característica de flujo sólo se conoce es la profundidad de aguas arriba. El propósito de este ejercicio es determinar y validar la pérdida de energía del flujo sobre una caída. Para ello, vamos a simular el problema y utilizar los resultados para identificar:

el caudal volumétrico sobre la caída la ubicación , profundidad, y la velocidad de flujo crítico sin asumir

un a priori régimen de flujo la profundidad y la longitud de la piscina de caída la profundidad aguas abajo del flujo la pérdida de energía del flujo sobre la caída, y resultados empíricos en la literatura , en comparación con los

resultados del modelo para la validaciónSería mucho más fácil determinar los objetivos si la velocidad de flujo fue ya conocida; se hace una mejor problema de aprendizaje para asumir solamente una profundidad de aguas arriba.

FLOW-3D OBJETIVOS DE APRENDIZAJEEn este ejercicio vamos a aprender técnicas para:

Crear la geometría de la estructura de caida Crear el dominio computacional Especificar las condiciones de contorno adecuadas Propiedades del fluido de entrada Activar requerido modelos físicos Ejecutar la simulación Analizar los resultados de la simulación Características de caída de cómputo de resultados

Figura 1 : estructura rectangular de la caída vertical

ESPECIFICACIÓN DEL PROBLEMA

UNIDADES DEL SISTEMA

Unidades de simulación - SI

ESPECIFICACIONES DE GEOMETRÍA

Altura de caída: 0,62 m

Longitud de desenrolladas aguas arriba del borde: 0,7 m Longitud del canal aguas abajo del borde: 2,0 m

CONDICIONES DE FLUJO

Profundidad de flujo aguas arriba = 0,24 m Propiedades del fluido (agua) Viscosidad = 0.001 Pa - s Densidad = 1000 kg / m3

ESPECIFICACIONES DE SIMULACIÓN

2D en X y Z Superficie libre con interfaz aguda Fluido incompresible

DESARROLLO.

Crear nueva simulacion

File and Add New Simulation/Vertical Drop/ OK.

Model Setup/ Meshing_Geometry tab./subcomponent /Box.

Introduceremos datos de las coordenadas.

Model setup/meshing & geometry/subcomponent/box

Ok

The box is a solid, Standard / Component Type/Name the component Drop, like the subcomponent, and click OK

Select Add, then Close/Right click on Fixed Pt.(1) in the Z Direction of mesh Block 1

SELECCIÓN DE DATOS DE SALIDA

Model setup/output/activar las pestanas de fluid resisdence time, hydraulic data, dynamic viscosity, total hydraulic head y activar lo que se indica en la figura.

Luego con simulate/run simulate

Yes/overwite, y se obtiene la siguiente imagen.

ANALISIS Y SIMULACION DE RESULTADOS.Pestana analyze/2-D/contour variable (pressure) y vector type (plain velocity vectors)Clic en icono vector options, escribir en vector frecuency X=2 y Z=2 en Y= no llenar datos.

Ok

Y presionamos el icono Render, y nos sale el siguiente imagen

Podemos tambien reducir el tiempo para que se vea el fraccionamiento mas detallado de la velocidad bidimensional.Model setup/output/restart data interval (escribir 0.05)

Luego nos vamos a la pestaña:Simulation managerSeleccionar en portafolio el archivo a corregir y nos vamos para la pestaña Simulate/run simulation/yes/overwrite

Luego nos vamos a la pestañaAnalize/2-D/render yDisplay/animate/start

Y se ve la siguiente imagen como se muestra.

Y se hace constante el caudal y su velocidad con pocas variaciones

trabajo encargado

Engineering