Estudio en modelo físico sobre vórtices de superficie libre afectados por el perfil de entrada en tomas horizontales sumergidas

Abstract

Se realizó un estudio experimental para evaluar la influencia de la geometría del perfil de entrada a una toma sumergida sobre la formación de vórtices que arrastran aire. Se instalaron dos perfiles diferentes de tomas en un tanque rectangular y transparente. El primero era una entrada de arista viva, mientras que el segundo era una entrada de perfil acampanado. En el diseño del modelo experimental se consideraron las recomendaciones de Anwar (1968), Daggett & Keulegan (1974) y Jain et al. (1978) para evitar los efectos de escala. El caudal y la sumersión se variaron a lo largo de las pruebas para obtener una amplia gama de números de Froude y de sumersiones relativas. El número de Froude en la tubería se definió como la relación entre la velocidad media de la tubería forzada y la raíz del producto de la aceleración de la gravedad por el diámetro o dimensión característica de la tubería forzada. La sumersión relativa se consideró como la relación entre la sumersión (profundidad medida desde la superficie del agua hasta la parte superior de la tubería forzada) y el diámetro interno de la toma sumergida. Los resultados finales se visualizaron en diagramas adimensionales del número de Froude frente a la sumersión relativa. En cada ensayo se evaluaron los vórtices según la clasificación planteada por Sarkardeh et al. (2010). El vórtice tipo C sólo forma una depresión ligeramente perceptible en la superficie del agua y no arrastra aire hacia la toma sumergida. Siempre que se observó este tipo de vórtice durante los ensayos, o no se observó ninguna depresión, en el diagrama de sumersión relativa frente al número de Froude se consideró que las condiciones de flujo se encontraban dentro de la zona segura de vórtices que no arrastran aire. Se concluyó que la geometría del ingreso a la toma sumergida influye en la formación de vórtices que arrastran aire hacia la toma forzada. Cuando se compararon los resultados de los experimentos realizados con entradas de arista viva y entradas de perfil acampanado, se necesitaron mayores sumersiones relativas para evitar la formación de vórtices que arrastran aire cuando se instaló una entrada de arista viva para el mismo rango de números de Froude. Además, se midió la caída de presión causado por la geometría del perfil de entrada a la tubería forzada con la finalidad de calcular el coeficiente de pérdida de carga local. Los valores determinados de los coeficientes de pérdida de carga local, para las entradas de arista viva y de perfil acampanado, fueron de 0,70 y 0,15, respectivamente.

An experimental study was carried out to evaluate the influence of the geometry of the inlet profile to a submerged intake on the formation of vortices that entrain air. Two different intake profiles were installed in a rectangular and transparent tank. The first was a sharp-edged doorway, while the second was a bell-shaped doorway. In the design of the experimental model, the recommendations of Anwar (1968), Daggett & Keulegan (1974) and Jain et al (1978) were considered to avoid scale effects. Flow and submergence were varied throughout the tests to obtain a wide range of Froude numbers and relative submergences. The Froude number in the pipeline was defined as the ratio between the mean velocity of the penstock and the root of the product of the acceleration of gravity multiply by the diameter or characteristic dimension of the penstock. Relative submergence was considered as the ratio between submergence (depth measured from the water surface to the top of the penstock) and the internal diameter of the submerged intake. The final results were visualized in dimensionless plots of the Froude number versus relative submergence. In each trial, the vortices were evaluated according to the classification proposed by Sarkardeh et al. (2010). The Type C vortex forms only a slightly perceptible depression in the water surface and does not draw air into the submerged intake. Whenever this type of vortex was observed during testing, or no depression was observed, the flow conditions were considered to be within the safe zone for non-entraining vortices on the relative submergence vs. Froude number plot. It was concluded that the geometry of the entrance to the submerged intake influences the formation of vortices that drag air towards the forced intake. When comparing the results of experiments performed with sharp-edged and flared inlets, higher relative submergences were needed to prevent the formation of entraining vortices when a sharp-edged inlet was installed for the same range of Froude numbers. In addition, the pressure drop caused by the geometry of the penstock inlet profile was measured in order to calculate the local pressure loss coefficient. The determined values of the local pressure loss coefficients, for the sharp edge and flared profile entries, were 0,70 and 0,15, respectively.