Estudio del perfil de flujo a través de un vertedero lateral mediante un canal circular con la simulación de un modelo numérico
Las estructuras hidráulicas constituyen un elemento fundamental para el desarrollo de las regiones, han sido, son y probablemente serán ampliamente utilizadas en proyectos de dotación de agua para consumo humano, de producción de alimentos, de generación hidroeléctrica, y proyectos de transporte,...
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| Other Authors: | |
| Format: | bachelorThesis |
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| Published: |
Universidad de Cuenca
2022
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| author | Aguilar Martínez, Josué Ismael Heredia Farfán, Jonnathan Gabriel |
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regiones, han sido, son y probablemente serán ampliamente utilizadas en proyectos de
dotación de agua para consumo humano, de producción de alimentos, de generación
hidroeléctrica, y proyectos de transporte, tratamiento y disposición final de aguas
residuales entre los más comunes. Los métodos que existen para el análisis y el diseño de
las estructuras hidráulicas se basan principalmente en hipótesis simplificaciones que en
algunos casos tienden a producir representaciones poco precisas de las condiciones de
flujo real. El flujo en canales de sección circular (generalmente utilizados para
alcantarillas) con la influencia de un vertedero lateral que se utiliza para la evacuación
del caudal de excesos, tiene ciertas particularidades que podrían desviarlo de las hipótesis
asumidas para el cálculo de su perfil de flujo, por medio de estos métodos simplificados.
Es por ello que en el presente estudio se desarrolla un análisis del proceso de flujo en
canales de sección circular con la influencia de un vertedero lateral para validar/verificar
y/o modificar los criterios y procedimientos para la estimación de su correspondiente
perfil de flujo, aplicando la dinámica de fluidos computacional (DFC) para la solución
numérica de las ecuaciones de gobierno. Para lo cual se han modelado 10 casos de estudio
mediante el software OpenFoam, variando el diámetro de la sección transversal del canal
(dos diámetros) y el caudal de ingreso (10 valores de caudal). Para el análisis de
validación/ verificación y/o modificación de la metodología actual, se efectuó el cálculo
aplicando la ecuación dinámica para flujo espacialmente variado de gasto decreciente,
por la intervención de un vertedero lateral, la cual representa una ecuación diferencial
que, al no tener una solución analítica, requiere de la aplicación de un método numérico para su solución. El método seleccionado corresponde al método de Runge Kutta de
orden 4. Con la ayuda de un análisis tanto cuantitativo como cualitativo entre el cálculo
convencional y la modelización numérica del flujo, se concluye que las ecuaciones
empíricas que asumen un flujo unidireccional son válidas porque el perfil del flujo
obtenido mediante el software en relación al perfil de flujo calculado con el método
teórico convencional, presenta variaciones máximas de hasta 1.74%, las cuales no
constituyen errores de consideración que invaliden la metodología aplicada. Finalmente,
con la aplicación de un proceso de regresión lineal múltiple se ha obtenido una ecuación
para la estimación del perfil de flujo bajo las condiciones utilizadas en el presente estudio,
presentando una variación del 3.87% con referencia al modelo teórico convencional, lo
que constituye un modelo simplificado que puede ser aplicado para el cálculo del perfil
de flujo para condiciones similares a las utilizadas para la obtención del modelo, e indica
también la potencialidad de obtener un modelo simplificado en función de un rango
mayor de variación de los parámetros de entrada (diámetro, pendiente del canal, caudal
de ingreso, etc.) que permita la obtención de un modelo con un rango más amplio de
aplicación. |
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| spelling | oai:dspace.ucuenca.edu.ec:123456789-399242022-09-26T08:01:19Z Estudio del perfil de flujo a través de un vertedero lateral mediante un canal circular con la simulación de un modelo numérico Aguilar Martínez, Josué Ismael Heredia Farfán, Jonnathan Gabriel Carrillo Serrano, Verónica Margarita Ingeniería Civil Aguas residuales Dinámica de fluidos Hidráulica Las estructuras hidráulicas constituyen un elemento fundamental para el desarrollo de las regiones, han sido, son y probablemente serán ampliamente utilizadas en proyectos de dotación de agua para consumo humano, de producción de alimentos, de generación hidroeléctrica, y proyectos de transporte, tratamiento y disposición final de aguas residuales entre los más comunes. Los métodos que existen para el análisis y el diseño de las estructuras hidráulicas se basan principalmente en hipótesis simplificaciones que en algunos casos tienden a producir representaciones poco precisas de las condiciones de flujo real. El flujo en canales de sección circular (generalmente utilizados para alcantarillas) con la influencia de un vertedero lateral que se utiliza para la evacuación del caudal de excesos, tiene ciertas particularidades que podrían desviarlo de las hipótesis asumidas para el cálculo de su perfil de flujo, por medio de estos métodos simplificados. Es por ello que en el presente estudio se desarrolla un análisis del proceso de flujo en canales de sección circular con la influencia de un vertedero lateral para validar/verificar y/o modificar los criterios y procedimientos para la estimación de su correspondiente perfil de flujo, aplicando la dinámica de fluidos computacional (DFC) para la solución numérica de las ecuaciones de gobierno. Para lo cual se han modelado 10 casos de estudio mediante el software OpenFoam, variando el diámetro de la sección transversal del canal (dos diámetros) y el caudal de ingreso (10 valores de caudal). Para el análisis de validación/ verificación y/o modificación de la metodología actual, se efectuó el cálculo aplicando la ecuación dinámica para flujo espacialmente variado de gasto decreciente, por la intervención de un vertedero lateral, la cual representa una ecuación diferencial que, al no tener una solución analítica, requiere de la aplicación de un método numérico para su solución. El método seleccionado corresponde al método de Runge Kutta de orden 4. Con la ayuda de un análisis tanto cuantitativo como cualitativo entre el cálculo convencional y la modelización numérica del flujo, se concluye que las ecuaciones empíricas que asumen un flujo unidireccional son válidas porque el perfil del flujo obtenido mediante el software en relación al perfil de flujo calculado con el método teórico convencional, presenta variaciones máximas de hasta 1.74%, las cuales no constituyen errores de consideración que invaliden la metodología aplicada. Finalmente, con la aplicación de un proceso de regresión lineal múltiple se ha obtenido una ecuación para la estimación del perfil de flujo bajo las condiciones utilizadas en el presente estudio, presentando una variación del 3.87% con referencia al modelo teórico convencional, lo que constituye un modelo simplificado que puede ser aplicado para el cálculo del perfil de flujo para condiciones similares a las utilizadas para la obtención del modelo, e indica también la potencialidad de obtener un modelo simplificado en función de un rango mayor de variación de los parámetros de entrada (diámetro, pendiente del canal, caudal de ingreso, etc.) que permita la obtención de un modelo con un rango más amplio de aplicación. Hydraulic structures constitute a fundamental element for the development of the regions, they have been, are and probably will be widely used in projects to provide water for human consumption, food production, hydroelectric generation, and transportation, treatment and disposal projects. final sewage among the most common. Existing methods for the analysis and design of hydraulic structures are mainly based on simplifying assumptions that in some cases tend to produce inaccurate representations of actual flow conditions. The flow in channels with a circular section (generally used for sewers) with the influence of a lateral weir that is used for the evacuation of the excess flow, has certain peculiarities that could deviate it from the hypotheses assumed for the calculation of its flow profile, using these simplified methods. That is why in the present study an analysis of the flow process in circular section channels with the influence of a lateral weir is developed to validate/verify and/or modify the criteria and procedures for the estimation of its corresponding flow profile, applying computational fluid dynamics (CFD) for the numerical solution of the governing equations. For which 10 study cases have been modeled using the OpenFoam software, varying the diameter of the cross section of the channel (two diameters) and the inlet flow (10 flow values). For the analysis of validation/verification and/or modification of the current methodology, the calculation was carried out by applying the dynamic equation for spatially varied flow of decreasing rate, due to the intervention of a lateral spillway, which represents a differential equation that, by not having an analytical solution requires the application of a numerical method for its solution. The selected method corresponds to the Runge Kutta method of order 4. With the help of both a quantitative and qualitative analysis between the conventional calculation and the numerical modeling of the flow, it is concluded that the empirical equations that assume a unidirectional flow are valid because the profile of the flow obtained through the software in relation to the flow profile calculated with the analytical method, presents maximum variations of up to 1.74%, which do not constitute considerable errors that invalidate the applied methodology. Finally, with the application of a multiple linear regression process, an equation has been obtained for estimating the flow profile under the conditions used in this study, presenting a variation of 3.87% with reference to the conventional theoretical model, which constitutes a simplified model that can be applied to calculate the flow profile for conditions similar to those used to obtain the model, and also indicates the potential to obtain a simplified model based on a greater range of variation of the input parameters (diameter , slope of the channel, inlet flow, etc.) that allows obtaining a model with a broader range of application. Ingeniero Civil Cuenca 2022-09-22T13:05:56Z 2022-09-22T13:05:56Z 2022-09-22 bachelorThesis http://dspace.ucuenca.edu.ec/handle/123456789/39924 spa TI;1279 Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internacional http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ openAccess application/pdf 122 páginas application/pdf Universidad de Cuenca |
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