Obtención de relaciones de diseño de canales con rugosidad artificial (Rugosidad Tipo A) mediante modelo numérico
La importancia en el diseño de una estructura que transporta agua es mantenerla bajo un umbral que evite el deterioro, la erosión y daños en elementos estructurales, es decir, garantizar condiciones óptimas dentro de su vida útil. En el caso particular de los canales de alta pendiente donde la ve...
| मुख्य लेखकों: | , |
|---|---|
| अन्य लेखक: | |
| स्वरूप: | bachelorThesis |
| भाषा: | spa |
| प्रकाशित: |
Universidad de Cuenca
2022
|
| विषय: | |
| ऑनलाइन पहुंच: | http://dspace.ucuenca.edu.ec/handle/123456789/38116 |
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|---|---|
| author | Illescas Ortega, Jonnathan Patricio Zhimnay Sánchez, Walter Geovanny |
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| description | La importancia en el diseño de una estructura que transporta agua es mantenerla bajo un umbral que
evite el deterioro, la erosión y daños en elementos estructurales, es decir, garantizar condiciones
óptimas dentro de su vida útil. En el caso particular de los canales de alta pendiente donde la
velocidad es el principal parámetro que debe ser controlado, debido a los altos valores que se
presentan; es necesario la implementación de obras complementarias para mantener un régimen de
flujo deseable.
Actualmente, existen dos principales técnicas para controlar la velocidad de flujo en canales de alta
pendiente: flujo en forma de escaleras y la rugosidad artificial. El flujo en forma de escalera al ser
una alternativa muy cara no es una técnica muy empleada, contrario a las estructuras de rugosidad
artificial, las cuales constituyen un ahorro en costos correspondientes a su construcción, seguridad a
la estructura y alargan su vida útil.
La rugosidad artificial consiste en incorporar elementos salientes en el perímetro del canal creando
una resistencia adicional y reduciendo la energía cinética. En el diseño de dicha rugosidad se dispone
de ábacos y expresiones presentadas por los principales exponentes: Pikalov F. (1935) y Aivazian
(1977), sin embargo, para afirmar estas teorías no se dispone de información suficiente en cuanto a
las condiciones de flujo y demás factores, por lo cual no es posible generalizar una sola teoría que
sirva de base para el diseño de canales con rugosidad artificial y consecuentemente es indispensable
realizar una validación a las expresiones de diseño existentes.
El fenómeno ocasionado por la implementación de la rugosidad artificial en canales a cielo abierto
es analizado mediante la dinámica de fluidos computacional (CFD, por sus siglas en inglés), con el
uso de OpenFoam, un software libre ampliamente usado para la modelación de flujos
tridimensionales que resuelve de forma numérica las ecuaciones de gobierno de Navier-Stokes,
basado en el método de volúmenes finitos. Para la aplicación de la CFD es necesario construir un
modelo tridimensional, especificar condiciones iniciales y de contorno, modelar la turbulencia y el
método de solución para las ecuaciones de gobierno.
El presente estudio toma como base un modelo físico (canal del Laboratorio de Hidráulica &
Dinámica de Fluidos de la Universidad de Cuenca), donde a partir de la calibración preliminar de los
parámetros para la simulación obtenidos de investigaciones anteriores; realizadas bajo el mismo
enfoque, se puede replicar las condiciones de flujo en el modelo numérico. Posteriormente se realizan
las simulaciones en el canal con y sin rugosidad artificial Tipo A en el fondo, variando caudal,
pendiente longitudinal y espaciamiento entre bloques de rugosidad según lo recomendado en la
literatura, con el fin de comparar la efectividad de uso de rugosidad artificial con respecto a los
modelos teóricos propuestos (Aivazian y Pikalov), además de proponer un potencial ajuste a sus
expresiones y parámetros de diseño. |
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| spelling | oai:dspace.ucuenca.edu.ec:123456789-381162022-02-21T08:00:59Z Obtención de relaciones de diseño de canales con rugosidad artificial (Rugosidad Tipo A) mediante modelo numérico Illescas Ortega, Jonnathan Patricio Zhimnay Sánchez, Walter Geovanny Carrillo Serrano, Verónica Margarita Ingeniería Civil Canales Estructuras Resistencia Hidráulica La importancia en el diseño de una estructura que transporta agua es mantenerla bajo un umbral que evite el deterioro, la erosión y daños en elementos estructurales, es decir, garantizar condiciones óptimas dentro de su vida útil. En el caso particular de los canales de alta pendiente donde la velocidad es el principal parámetro que debe ser controlado, debido a los altos valores que se presentan; es necesario la implementación de obras complementarias para mantener un régimen de flujo deseable. Actualmente, existen dos principales técnicas para controlar la velocidad de flujo en canales de alta pendiente: flujo en forma de escaleras y la rugosidad artificial. El flujo en forma de escalera al ser una alternativa muy cara no es una técnica muy empleada, contrario a las estructuras de rugosidad artificial, las cuales constituyen un ahorro en costos correspondientes a su construcción, seguridad a la estructura y alargan su vida útil. La rugosidad artificial consiste en incorporar elementos salientes en el perímetro del canal creando una resistencia adicional y reduciendo la energía cinética. En el diseño de dicha rugosidad se dispone de ábacos y expresiones presentadas por los principales exponentes: Pikalov F. (1935) y Aivazian (1977), sin embargo, para afirmar estas teorías no se dispone de información suficiente en cuanto a las condiciones de flujo y demás factores, por lo cual no es posible generalizar una sola teoría que sirva de base para el diseño de canales con rugosidad artificial y consecuentemente es indispensable realizar una validación a las expresiones de diseño existentes. El fenómeno ocasionado por la implementación de la rugosidad artificial en canales a cielo abierto es analizado mediante la dinámica de fluidos computacional (CFD, por sus siglas en inglés), con el uso de OpenFoam, un software libre ampliamente usado para la modelación de flujos tridimensionales que resuelve de forma numérica las ecuaciones de gobierno de Navier-Stokes, basado en el método de volúmenes finitos. Para la aplicación de la CFD es necesario construir un modelo tridimensional, especificar condiciones iniciales y de contorno, modelar la turbulencia y el método de solución para las ecuaciones de gobierno. El presente estudio toma como base un modelo físico (canal del Laboratorio de Hidráulica & Dinámica de Fluidos de la Universidad de Cuenca), donde a partir de la calibración preliminar de los parámetros para la simulación obtenidos de investigaciones anteriores; realizadas bajo el mismo enfoque, se puede replicar las condiciones de flujo en el modelo numérico. Posteriormente se realizan las simulaciones en el canal con y sin rugosidad artificial Tipo A en el fondo, variando caudal, pendiente longitudinal y espaciamiento entre bloques de rugosidad según lo recomendado en la literatura, con el fin de comparar la efectividad de uso de rugosidad artificial con respecto a los modelos teóricos propuestos (Aivazian y Pikalov), además de proponer un potencial ajuste a sus expresiones y parámetros de diseño. The importance in the design process of a structure that transports water it’s essential to maintain a threshold that avoids deterioration, weathering, material dragging and structural damage; that is, optimum conditions must be guaranteed within its useful life. In the particular case of water slopes where velocity is the main factor that must be controlled, due to high values that occur, it’s necessary to implement complementary works to maintain a desirable flow regime. Nowadays there´s two methods to control de flow velocity on steep canals: steps and artificial roughness. The steps method can be too expensive so it’s unusual to use, however artificial roughness is the best cost efficiency alternative on construction, and can give security and stretch its lifespan. Artificial roughness, which consists in incorporating protruding elements in the canal’s perimeter, generating an additional resistance that helps to reduce the kinetic energy. Although this phenomenon has not been widely studied, there are abacuses and design equations presented mainly by authors such as Pikalov F. (1935) and Aivazian (1977); however, these theories were developed under different slope conditions, roughness block height, considering the phenomenon of aeration, and other factors; so, their validation will allow us to have greater certainty when using them for design, however, these theories have not enough information/data on the flow conditions and factors applied, there´s also a lack of linked studies to validate/confirm such theories, by which is not possible to generalize a theory that allows a basis for valid artificial roughness channel design therefore is necessary/required/essential to authenticate current design. This phenomenon is analyzed with Computational Fluid Dynamics (CFD) using OpenFOAM, a free software widely used to model three-dimensional flows that iteratively solves the Navier-Stokes governing equations through a numerical procedure based on the Finite Volume method. The application of the CFD methodology for flow analysis requires the construction of the threedimensional model (Salome-Meca), the specification of the initial conditions, the turbulence modeling, the solving of the governing equations (OpenFoam) and, finally, the data post-processing (Paraview). This study is based on the channel geometry of the Hydraulics and Fluid Dynamics Laboratory of the University of Cuenca, and the previous calibration of the parameters for the simulation (absolute roughness) in terms of replicating flow variables of the laboratory measurements, which were taken from previous investigations performed under the same approach. Subsequently, simulations are realized in the channel with and without artificial roughness Type A in the channel bottom, varying the flow rate and the spacing between roughness blocks as recommended in the manuals, in order to compare the effectiveness when using artificial roughness according to the proposed theoretical models (Aivazian and Pikalov), in addition to proposing a potential adjustment to their expressions and design parameters. Ingeniero Civil Cuenca 2022-02-18T14:54:03Z 2022-02-18T14:54:03Z 2022-02-18 bachelorThesis http://dspace.ucuenca.edu.ec/handle/123456789/38116 spa TI;1253 Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internacional http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ openAccess application/pdf 79 páginas application/pdf Universidad de Cuenca |
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