Evaluación de coeficientes de descarga de vertederos de pared delgada empleando modelos numéricos

Abstract

La simulación numérica es una alternativa a los modelos físicos tradicionalmente empleados para la representación de fenómenos hidráulicos, debido a que pueden realizarse en un menor tiempo y sin la necesidad de la infraestructura de un laboratorio especializado. En el presente trabajo de investigación se evaluó la eficiencia de la simulación numérica en evaluar el coeficiente de descarga de los vertederos de pared delgada mediante la simulación numérica. Se realizaron numerosas simulaciones empleando el Software ANSYS CFX, el cual emplea el método de volúmenes finitos para resolver las ecuaciones de Navier-Stokes (ecuaciones que gobiernan el comportamiento de un fluido viscoso). Con dicho software se analizaron diversas configuraciones de vertederos de pared delgada, siendo las principales variables el caudal de funcionamiento, la altura del vertedero y el ancho del mismo (variación de las contracciones laterales). Previo a la evaluación de los coeficientes de descarga de los vertederos de pared delgada se deben definir los parámetros del modelo necesarios para obtener resultados acertados. Es por esa razón que en una primera etapa de estudio se evaluaron varias alternativas de: * Tamaño de la malla (discretización del volumen). * Longitud del canal de aproximación. * Modelo de turbulencia empleado. Con los valores de las variables mencionadas líneas arriba se procedió a comparar los resultados del modelo con resultados obtenidos de investigaciones pasadas, realizadas con modelos físicos. La configuración óptima para el estudio fue de: * Tamaño de malla = 5.0 mm de lado. * Longitud de canal de aproximación = 2.50 m. * Modelo de turbulencia = Modelo SST (Shear-Stress Transport). Con dicha configuración se procedió a comparar los resultados obtenidos de la simulación con cuatro ecuaciones, siendo estas: * Bazin-Hégly. * Sociedad Suiza de Ingenieros y Arquitectos. * Kindsvater & Cárter. * Aydin. Los porcentajes de error obtenidos fueron en su mayoría menores a 5% para las ecuaciones de Bazin-Hégly y Kindsvater y Cárter, con la excepción en los casos donde las cargas de agua son más bajos (menores a 0.08 m para la ecuación de Bazin-Hégly y menores a 0.02 m para la ecuación de Kindsvater & Cárter). Cabe resaltar que estos casos se encuentran fuera de los límites de aplicación relacionados con la carga de agua para cada ecuación, respectivamente. Los porcentajes de error obtenidos para la ecuación de la Sociedad Suiza de Ingenieros y Arquitectos fueron en su mayoría mayor a 5%, a pesar de que en la mayoría de los casos se cumplen con todos los límites de aplicación de la fórmula. Al comparar los resultados de caudal evacuado con la fórmula de Aydin, se obtuvieron porcentajes de error menores al 10%. Empleando la misma configuración se realizaron también simulaciones de vertederos de pared delgada sumergidos y vertederos laterales, obteniéndose resultados cercanos a los proporcionados por las expresiones empíricas y demostrando que la configuración obtenida no es solamente aplicable para la simulación de vertederos de pared delgada, sino que representa con precisión el comportamiento de dichos fenómenos, produciendo porcentajes de error por debajo del 5%. Finalmente, empleando la configuración establecida se realizaron también comparaciones entre los resultados del modelo con los obtenidos en investigaciones experimentales realizadas en tesis publicadas por otros investigadores, obteniendo porcentajes de error también por debajo del 5%.

An altemative to the physical models traditionally used for the representaron of hydraulics phenomena is the numerical simulation, because they can be done in less time and without the need of the specialized infrastructure of a laboratory. In the present study, the discharge coefficient of sharp-crested rectangular weirs was studied using numerical simulations. The software used for these simulations was the ANSYS CFX, which uses the finite volume method to solve the Navier- Stokes equations (equations that describe the motion of a viscous fluid). With the ANSYS CFX, a variety of sharp-crested weirs configurations were analyzed. The main variables analyzed in this study were: the flow, the weir height and the width of the weir. Before the study of the discharge coefficient of sharp-crested rectangular weirs, ¡t ¡s necessary to define the model parameters needed to get accurate results. In the first part of the study, the following model variables were evaluated to determine the most accurate setup: * Mesh size. * Length of the main channel. * Turbulence model. With the values of the variables mentioned above, the model was calibrated using the results obtained from past researches carried out with physical models. The optimal configuration for the present study was: * Mesh Size = 5.00 mm. * Length of the main channel = 2.50 m. * Turbulence model = SST model (Shear-Stress Transport) A comparison analysis was performed with the results obtained with the configuraron above. Four different formulas were used in this comparison: * Bazin-Hégly. * Swiss Society of Engineers and Architects. * Kindsvater & Cárter. * Aydin. The resulting error percentages were below 5% for the Bazin-Hégly and Kindsvater & Cárter equations, except ¡n the cases where the head load was the lowest (below 0.08 m for the Bazin-Hégly equation and below 0.02 m for the Kindsvater & Carter equation). It should be noted that these cases were off the application limits for each equation respectively. The error percentages obtained for the Swiss Society of Engineers and Architects were mostly greater than 5%, despite the fact that most cases were within the application limits of the equation. When comparing the flow results with the Aydin formula, the error percentages were below 10%. Using the same configuration, simulations of sharp-crested submerged weirs and lateral weirs were also performed, and the results obtained ¡n these simulations were very close to the results obtained using the empirical expressions, thus showing that the configuration proposed ¡s not only applicable to sharp-crested weir simulations, but also represents accurately the behavior of these phenomena producing error percentages below 5%. Finally, and using again the same configuration, comparisons between the numerical model and physical models studied by other researchers was carried out, obtaining error percentages below 5%.