Evaluación de un modelo numérico 3D aplicado a un modelo físico del río Rímac

Abstract

La presenta tesis se centra en realizar una simulación numérica tridimensional capaz de predecir el comportamiento del flujo observado en un tramo con interacción de estructuras transversales (traviesas) y la generación de patrones de erosión aguas abajo de cada una. Para analizar la erosión aguas abajo de las traviesas y la concordancia de los factores de erosión con la distribución de velocidades se usó todas las mediciones realizadas en el modelo físico tanto en la sección transversales como a lo largo del tramo. Se verifico que la dirección del campo de velocidades coincide con la forma del foso habiendo correspondencia entre las profundidades máximas de erosión y la dirección de la velocidad máxima. Se ingreso los valores de velocidad y tirantes medidos con el ADV en las ecuaciones de Bormann y Julien (1991) para estimar la profundidad de erosión y se comparó con los valores medidos en el modelo. Los resultados mostraron que las profundidades calculadas son menores a las medidas. Se considero necesario multiplicar los valores calculados con las ecuaciones por 4 para representar los valores medidos. Para representar el modelo físico mediante el modelo matemático se determinaron las condiciones de borde en el modelo y los parámetros de calibración para un caudal de 57.7 l/s. Se consideró un valor inicial de rugosidad medida en campo de 0.021 el cual fue adaptándose junto con los coeficientes de difusión del modelo de turbulencia hasta obtener los valores medidos en el modelo físico. Una rugosidad de 0.025 en el lecho y de 0.030 en el enrocado y el modelo de turbulencia de Longitud de Mezcla. Sin embargo, no fue posible representar los niveles de la superficie de libre medidos en 4 secciones intermedias ubicadas en el tramo curvo donde se presenta mayor resistencia al avance del flujo que en un canal recto, ya que parte de la disipación de energía ocurre en los flujos transversales. El proceso de validación del modelo se efectuó con el caudal de 75 l/s y utilizando los valores medidos en campo con los parámetros obtenidos en el proceso de calibración. Además, el modelo numérico representó la formación de micro vórtices en las fosas de erosión que se observaron en el modelo físico aguas abajo de dos traviesas a la salida del tramo curvo.

The thesis is focused on performing a three-dimensional numerical simulation capable of predicting the flow behavior observed in a section with interaction of cross-sectional structures (grade control structures) and the generation of erosion patterns downstream of each. To analyze the erosion downstream of the grade control structures and the agreement of the erosion factors with the velocity distribution, all measurements made in the physical model were used both in the cross-section and along the section. It was verified that the direction of the velocity field coincides with the shape of the pit having correspondence between the maximum erosion depths and the direction of the maximum velocity. The velocity and brace values measured with the ADV were entered the equations of Bormann and Julien (1991) to estimate the erosion depth and compared with the values measured in the model. The results showed that the calculated depths are smaller than the measurements. It was considered necessary to multiply the calculated values with the equations by 4 to represent the measured values. To represent the physical model using the mathematical model, the edge conditions in the model and the calibration parameters for a flow rate of 57.7 l / s were determined. An initial roughness value measured in the field of 0.021 was considered, which was adapted together with the diffusion coefficients of the turbulence model until the values measured in the physical model were obtained. A roughness of 0.025 in the bed and 0.030 in the cast and the turbulence model Mixing Lenght. However, it was not possible to represent the free surface levels measured in 4 intermediate sections located in the curved section where there is greater resistance to the advance of the flow than in a straight channel, since part of the energy dissipation occurs in the cross flows. The validation process of the model was carried out with the flow rate of 75 l / s and using the values measured in the field with the parameters obtained in the calibration process. In addition, the numerical model represented the formation of micro vortices in the erosion pits that were observed in the physical model downstream of two grade control structures at the exit of the curved section.