Calibración y validación de modelos numéricos con un modelo físico de una obra de derivación

Abstract

En esta tesis se presenta el estudio en modelo físico de un río con una bifurcación, en la que se encuentra, además, una estructura derivadora que consta de dos barrajes y tiene la función de distribuir los caudales de manera equitativa hacia dos ríos. La presente tesis se conforma de las siguientes partes: Recopilación de la información del modelo físico ‘Partidor Conta’, construcción y la ejecución de los modelos numéricos, y comparación de los resultados de ambos. Para la construcción de los modelos numéricos se utilizó dos ecuaciones: Shallow Water Equation (Ecuaciones de aguas someras), y Difussion wave equation (Ecuaciones de onda difusa) utilizando el software HEC-RAS 2D. De esta manera se busca encontrar recomendaciones para el diseño de estructuras hidráulicas a partir de la comparación del modelo numérico y el modelo físico. Se realizaron las modelaciones hidráulicas para los siguientes escenarios: ‘sin estructuras’, ‘primer diseño de estructuras con el lecho sin colmatar’, ‘primer diseño de estructuras con el lecho colmatado’, ‘segundo diseño de estructuras con el lecho sin colmatar’ y ‘segundo diseño de estructuras con el lecho colmatado’. Los resultados demuestran que el modelo que utiliza las ecuaciones SWE se asemejan mejor a los resultados en el modelo físico en todos los escenarios. En el primer diseño de estructuras este modelo reprodujo todos los desbordes que se produjo excepto uno. En cambio, con el modelo que utiliza las ecuaciones DWE solo se produjo algunos. En el segundo diseño, al igual que en el modelo físico, en ninguno de los modelos numéricos se presentaron desbordes; sin embargo, los resultados con el modelo de las ecuaciones SWE fueron más acertados. Se observó que las mayores diferencias de resultados entre modelo físico y modelos numéricos se da en las zonas curvas; también en los flujos rápidamente variados: saltos hidráulicos y caídas; y en las zonas donde el agua choca con los muros. Así mismo se obtuvo que para caudales mayores a 800 m3/s, la distribución de caudales del río San Juan fueron similares en los modelos numéricos y físico. Finalmente, se plantean factores de corrección para los niveles de agua y velocidades obtenidos con los modelos numéricos respecto a los medidos con el modelo físico. Los resultados en la estructura hidráulica analizada nos muestran que los modelos bidimensionales podrían ser aplicados a este tipo de estructuras, considerando algunos factores de corrección.

This thesis presents the study in a physical model of a river with a bifurcation, which there is also a diversion structure that consisting of two barrages and has the function of distributing flows equally to two rivers. This thesis consists of the following parts: Compilation of the information of the physical model 'Partidor Conta', the construction and execution of numerical models, and the comparison of the results of both. Two equations were used for the construction of the numerical models: Shallow Water Equation, and Difussion wave equation using HEC-RAS 2D software. In this way, it seeks to find recommendations for the design of hydraulic structures from the comparison of the numerical model and the physical model. Hydraulic modeling was carried out for the following scenarios: 'without structures', 'first design of structures with unfilled bed', 'first design of structures with filled bed', 'second design of structures with unfilled bed' and 'second design of structures with the clogged bed'. The results show that the model that uses the SWE equations better resemble the results in the physical model in all scenarios. In the first design of structures, this model reproduced all the overflows that occurred except one. In contrast, with the model using the DWE equations, only a few overflows occurred. In the second design of structures, in none of the models there was any overflow, but numerically the model with the SWE equations were more accurate. It was observed that the greatest differences in the results between the physical model and the numerical models were in the convex areas; also in the rapidly varying flows: hydraulic jumps and falls; and in the areas where the water collides with the walls. It was also obtained that for flows greater than 800 m3/s, the flow distribution of the San Juan River was similar in the numerical and physical models. Finally, correction factors are proposed for the water levels and velocities obtained with the numerical models with respect to those measured with the physical model. The results for the hydraulic structure analyzed show that the two-dimensional models could be applied to this type of structure, considering some correction factors.