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Investigacin en Hidrulica de Ros
FC
T-U
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Joo Bento Leal
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CEHIDRO
FCT/Universidade Nova de LisboaCEHIDRO, Centro de Estudos de Hidrossistemas
Universidad Central del Ecuador, Quito, Ecuador, 25 Octubre 2012
Joo Bento Leal
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Estructura de la presentacin
Breve presentacin del investigador
Crecidas en ros con fundo mvil provocadas
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por la ruptura de presas
Flujo en canales compuestos
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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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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
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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?
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BARRAGEMMONTANTE
GUA
JUSANTE
MONTANTE
GUA
JUSANTE
PRESAATRS
A DELANTE
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Crecidas en ros con fundo mvil provocadas por la ruptura de presas
ALGUNOS CASOS HISTRICOS
PresaRuptura de la presa de St. Francis (USA) en 1928
CARACTERSTICAS
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CARACTERSTICAS
Altura = 61 m
Largura del topo = 183 m
Presa en arco de betn
Capac. del embalse = 47 Mm 3
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Crecidas en ros con fundo mvil provocadas por la ruptura de presas
ALGUNOS CASOS HISTRICOS
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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Crecidas en ros con fundo mvil provocadas por la ruptura de presas
ALGUNOS CASOS HISTRICOS
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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Crecidas en ros con fundo mvil provocadas por la ruptura de presas
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
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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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Crecidas en ros con fundo mvil provocadas por la ruptura de presas
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
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NL Crecidas en ros con fundo mvil
provocadas por la ruptura de presas
Objetivos
MODELACIN EXPERIMENTAL
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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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Crecidas en ros con fundo mvil provocadas por la ruptura de presas
MODELACIN EXPERIMENTAL
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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Crecidas en ros con fundo mvil provocadas por la ruptura de presas
MODELACIN EXPERIMENTAL
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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Crecidas en ros con fundo mvil provocadas por la ruptura de presas
MODELACIN EXPERIMENTAL
15Canal visto en planta (LNEC)
Cmaras de vdeo(medicin de los niveles de lasuperficie libre e del fundo)
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Crecidas en ros con fundo mvil provocadas por la ruptura de presas
MODELACIN EXPERIMENTAL
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
16Canal visto en planta (LNEC)
Micro-molinetes(medicin de la velocidad)
ADV medidor acstico(medicin de la velocidad)
de sinais acsticosde sinais acsticos
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Crecidas en ros con fundo mvil provocadas por la ruptura de presas
MODELACIN EXPERIMENTAL
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)
17Canal visto en planta (LNEC)
Seguidor de fundos(medicin del perfil del fondo enel final de cada experimento)
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Crecidas en ros con fundo mvil provocadas por la ruptura de presas
MODELACIN EXPERIMENTAL
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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Crecidas en ros con fundo mvil provocadas por la ruptura de presas
MODELACIN EXPERIMENTAL
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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Crecidas en ros con fundo mvil provocadas por la ruptura de presas
MODELACIN EXPERIMENTAL
RESULTADOS EXPERIMENTALES 1-D
FONDO DE ARENA CON AGUA Y CON DESNIVEL INICIAL
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Crecidas en ros con fundo mvil provocadas por la ruptura de presas
MODELACIN EXPERIMENTAL
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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Crecidas en ros con fundo mvil provocadas por la ruptura de presas
MODELACIN EXPERIMENTAL
RESULTADOS EXPERIMENTALES 2-D
FONDO DE PIEDRA-PMEZ
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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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Crecidas en ros con fundo mvil provocadas por la ruptura de presas
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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Crecidas en ros con fundo mvil provocadas por la ruptura de presas
MODELACIN CONCEPTUAL
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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Crecidas en ros con fundo mvil provocadas por la ruptura de presas
MODELACIN CONCEPTUAL
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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Crecidas en ros con fundo mvil provocadas por la ruptura de presas
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
n n n n ni j i j i j i j i j
pi j
n n n n ni j i j i j i j i 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
n p p p pi j i j i j i j i j
ci j
n p p p pi j i j i j i j i 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
-
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Crecidas en ros con fundo mvil provocadas por la ruptura de presas
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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Crecidas en ros con fundo mvil provocadas por la ruptura de presas
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.
-
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Crecidas en ros con fundo mvil provocadas por la ruptura de presas
MODELACIN NUMRICA
PERFILES DE LA SUPERFICIE LIBRE 1-D
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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Crecidas en ros con fundo mvil provocadas por la ruptura de presas
MODELACIN NUMRICA
PERFILES DE LA SUPERFICIE LIBRE 1-D
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
T-U
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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
-
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Crecidas en ros con fundo mvil provocadas por la ruptura de presasMODELACIN NUMRICA
RESULTADOS NMERICOS 2-D FONDO DE PIEDRA-PMEZ
zs
33
u(x) u(y)
Vista lateral
-
FC
T-U
NL
Crecidas en ros con fundo mvil provocadas por la ruptura de presasMODELACIN NUMRICA
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
T-U
NL
Crecidas en ros con fundo mvil provocadas por la ruptura de presasMODELACIN NUMRICA
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
T-U
NL
Crecidas en ros con fundo mvil provocadas por la ruptura de presasMODELACIN NUMRICA
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
Flujo en canales compuestos
38
-
FC
T-U
NL Flujo en canales compuestos
DEFINICIN DEL PROBLEMA
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
NL Flujo en canales compuestos
DEFINICIN DEL PROBLEMA
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
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
Flujo en canales compuestos
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
MODELACIN EXPERIMENTAL
Flujo en canales compuestos
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
NL Flujo en canales compuestos
Canal experimental (UBI) Laser Doppler Velocimeter (LDV)
MODELACIN EXPERIMENTAL
44
-
FC
T-U
NL Flujo en canales compuestos
Canal experimental (LNEC)Acoustic Doppler Velocimeter (Vectrino)
MODELACIN EXPERIMENTAL
45
Ultrasonic Velocity Profiler (UVP)
Pitot tube
-
FC
T-U
NL Flujo en canales compuestos
Canal experimental (LNEC)
46
Fondo liso Llanuras de inundacin con vegetacin
Vegetacin en las mrgenes del canal principal
-
FC
T-U
NL
Flujo en canales compuestos
MODELACIN EXPERIMENTAL
hr = 0,1 hr = 0,15
hr = 0,2 hr = 0,25
47
hr = 0,3 hr = 0,38
-
FC
T-U
NL Flujo en canales compuestos
MODELACIN EXPERIMENTAL
48
hr=0.2
-
FC
T-U
NL
Flujo en canales compuestos
Desarrollos:
Influencia del rgimen non uniforme
MODELACIN EXPERIMENTAL
NUF +53%
49
NUF +53%
NUF +38%
NUF +19%
NUF -19%
-
FC
T-U
NL Flujo en canales compuestos
Desarrollos:
Influencia de la rugosidad de las llanuras de inund acin
MODELACIN EXPERIMENTAL
50
-
FC
T-U
NL Flujo en canales compuestos
Desarrollos:
Influencia de rugosidades en la interface
MODELACIN EXPERIMENTAL
51
sin rugosidades con rugosidades
-
FC
T-U
NL Flujo en canales compuestos
Desarrollos: Caracterizacin del campo turbulento
MODELACIN EXPERIMENTAL
52
-
FC
T-U
NL Flujo en canales compuestos
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
NL Flujo en canales compuestos
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
+ = + +
MODELACIN CONCEPTUAL (1-D)
Flujo en canales compuestos
( ) ( ) 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)
Flujo en canales compuestos
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
Flujo en canales compuestos
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)
Flujo en canales compuestos
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
Flujo en canales compuestos
hr020r
59
hr010s
hr020s
-
FC
T-U
NL
Desarrollos: Verificacin (metodologa Grid Converge Index GCI)
MODELACIN 3-D
Flujo en canales compuestos
60
-
FC
T-U
NL
Desarrollos: Validacin
a) Numrico (EARSM) b) Experimental
MODELACIN 3-D
Flujo en canales compuestos
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
++
=
+
MODELACIN CONCEPTUAL (3-D)
Flujo en canales compuestos
( )
+=
+
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
MODELACIN CONCEPTUAL (3-D)
Flujo en canales compuestos
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
MODELACIN CONCEPTUAL (3-D)
Flujo en canales compuestos
( )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
MODELACIN CONCEPTUAL (3-D)
Flujo en canales compuestos
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 .
Flujo en canales compuestos
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