Modelo numérico de turbulencia para evaluar el desempeño de las pozas disipadoras

Abstract

La turbulencia es un fenómeno complejo que está presente en la mayoría de situaciones reales en fluidos de baja viscosidad como el agua. Reproducir este fenómeno es una tarea difícil, en especial en flujos de alta turbulencia como los que ocurren en una poza disipadora. La presente investigación tiene como objetivo implementar un modelo numérico de turbulencia para la evaluación del desempeño de una poza disipadora y validar el modelo mediante información experimental. El procedimiento se realizó en dos fases, primero la ejecución de ensayos experimentales sobre un modelo físico de una poza disipadora con un barraje móvil con compuertas. La segunda parte consistió en elaborar un modelo numérico tridimensional en la plataforma OpenFOAM para comparar sus resultados con respecto a la primera fase. Se simularon tres niveles de descarga, que corresponden a los caudales unitarios por cada compuerta de 35.18, 49.22 y 63.08 l/s. Para la simulación numérica se ha tomado como referencia el trabajo de Bayón (2017), y se han empleado los modelos K-Épsilon Estándar y K-Omega SST, implementados en OpenFOAM. Se construyó la malla con snappyHexMesh, alcanzando más de 6 millones de celdas, en un dominio que comprendía desde la zona previa a la compuerta, hasta la zona aguas abajo de la poza disipadora. El análisis comparativo se realizó teniendo en cuenta el campo de velocidades, altura de presión, nivel de agua y la energía cinética turbulenta. Ambos modelos reprodujeron la altura de presión y el nivel de agua de manera similar, ya que son condiciones altamente dependientes del nivel de agua impuesto en el ingreso y en la salida. Por el contrario, los modelos presentaron marcadas diferencias al reproducir el campo de velocidades, siendo el modelo K-Épsilon Estándar el que mejor reprodujo el estado del flujo. El modelo K-Omega SST, por el contrario, produjo una zona de recirculación más larga dentro del salto hidráulico, que generó mayores errores en la zona del lecho de erosión. Esta estimación errónea de las velocidades causa ligeras discrepancias en la estimación de la energía cinética, especialmente en el lecho de erosión.

Turbulence is a complex phenomenon that is present in most real situations in low viscosity fluids, such as water. Reproducing this phenomenon is a difficult task, especially in highly turbulent flows such as those that occur in a stilling basin. The objective of this research is to implement a numerical model of turbulence for the evaluation of the performance of a stilling basin and to validate the model through experimental information. The procedure was carried out in two phases, first the execution of experimental tests on a physical model of a stilling basin with a barrage with gates. The second part consisted of developing a three-dimensional numerical model in the OpenFOAM platform to compare its results with experimentation from the previous phase. Three discharge levels were simulated, corresponding to unit flows for each gate of 35.18, 49.22 and 63.08 l/s. For the numerical simulation, the thesis of Bayón (2017) was taken as a reference, and the K-Epsilon Standard and K-Omega SST models have been used, implemented in OpenFOAM. The mesh was built with snappyHexMesh, reaching more than 6 million cells, in a domain that included from the zone before the gate, to the zone downstream of the stilling basin. The comparative analysis was carried out taking into account the velocity field, pressure height, water level and turbulent kinetic energy. Both models reproduced the pressure height and the water level in a similar way, since these are conditions highly dependent on the water level imposed at the entrance and at the exit. On the contrary, the models presented marked differences when reproducing the velocity field, being the K-Epsilon Standard model the one that best reproduced the state of the flow. The K-Omega SST model, in contrast, produced a larger recirculation zone within the hydraulic jump, which generated greater errors in the erosion bed zone. This erroneous estimation of the velocities causes slight discrepancies in the estimation of the kinetic energy, especially in the erosion bed.