Modelo de flujo bidimensional en ríos y estuarios BASES CONCEPTUALES HIDRÁULICAS EJEMPLOS

Transcripción

1 Modelo de flujo bidimensional en ríos y estuarios BASES CONCEPTUALES HIDRÁULICAS EJEMPLOS

2 Introducción Turbillon CARPA GiD

3 Introducción Módulos de cálculo HIDRODINÁMICA Velocidad Calado TRANSPORTE DE SEDIMENTOS Carga en suspensión Carga de fondo TURBULENCIA Viscosidad turbulenta Energía turbulenta y disipación

4 Introducción Modelación numérica en ríos: herramienta para el estudio de calados y velocidades para la resolución de problemas de ingeniería y dinámica fluvial (ríos y estuarios): Delimitación de zonas inundables Diseño de encauzamientos y obras de protección Restauración de ríos Planes de emergencia en roturas de presa Optimización del funcionamiento de obras hidráulicas

5 Tramos largos de ríos 1D Cuasi-2D 2D 3D Ríos con desbordamientos localizados El modelo Iber Introducción Estuarios Flujo local Canales Tramos cortos de ríos Vertederos Llanuras de inundación Pilas de puentes Flujo fuera de cauces Obras hidráulicas + ECONÓMICO + SIMLIFICADO + COSTE + PRECISIÓN (en general) Elevation (m) RS = Legend EG 01JAN WS 01JAN Ground Bank Sta Station (m)

6 Introducción 1D * * * * * * * * * * Elevation (m) RS = Station (m) Movimiento en la dirección del eje Nivel constante en una sección Leg EG 01JAN WS 01JAN Gro Bank Velocidad uniforme

7 Introducción El modelo Iber Introducción 2D En cada punto: calado, V x, V y Salto cualitativo en: información geométrica tiempo de cálculo

8 Introducción 2D Río Júcar 1982 Terrassa 1971 Riera de Les Arenes 1962 Llobregat 1982

9 Ecuaciones Hidrodinámicas Ecuaciones del flujo en lámina libre: Conservación de la masa Conservación de la cantidad de movimiento (2ª ley de Newton) (alternativamente: conservación de la energía)

10 Ecuaciones Hidrodinámicas A partir de las ecuaciones de Navier-Stokes (fluido newtoniano e isotropo en 3D): Navier-Stokes conservación masa + 2ª ley de Newton u Promedio temporal Reynolds Integración en la vertical Saint Venant 2D (aguas someras) u u u t2 1 udt t2 t 1 z0 h u u dz h z 0 1 t1 u : promedio en la vertical u: valor instantaneo u : fluctuaciones turbulentas u : promedio temporal Las variables en un modelo 2D son promediadas en la profundidad

11 Ecuaciones Hidrodinámicas Ecuaciones de aguas someras 2D q q t x y h x y 2 2 q x qx h qq x y z τ b b,x U x U x g gh ν t h ν t h t x h 2 y h x ρ x x y y q q q q τ U U t x h y h 2 y ρ x x y y 2 2 y x y y h zb b,y y y g gh ν t h ν t h 0 Distribución de presión hidrostática Velocidad uniforme en profundidad h, U x, U y

12 Ecuaciones Hidrodinámicas Forma vectorial: U F H t qx q y 0 h 2 2 qq qx h x y Ux Ux U qx ; g ; gh( Sox S fx ) ν t h ν t h F h 2 h H x x y y q y 2 2 qxqy qy h Uy Uy g gh( Soy S fy ) ν t h ν t h h h 2 x x y y Pendiente motriz: S q: caudal específico fx u u v n v u v n ; S 4 3 fy 4 3 h h (Ec. en forma conservativa)

13 Ecuaciones Hidrodinámicas Sistemas de ecuaciones hiperbólicos: teoría de las características (bicaracterísticas) y (cos, sen ) ct ( sen, cos ) (ut,vt) x d( un 2 c) ut g( S0x S fx )cos g( S0y S fy )sen dt (Ecuación válida sobre el cono característico)

14 Ecuaciones Hidrodinámicas Las características Proporcionan información importante del comportamiento de la solución. t R. LENTO (Fr<1) dx dt v c dx dt v c Característica positiva C P c celeridad gh Dominio de dependencia de P Característica negativa C x

15 Ecuaciones Hidrodinámicas t R. RÁPIDO Fr>1 dx dt v c dx dt v c Característica positiva C P Dominio de dependencia de P Característica negativa C c celeridad gh x

16 Condiciones de contorno Nº condiciones según teoría de las características Entrada Salida R. Lento 2 1 R. rápido 3 0 LENTO RÁPIDO t n+1 t n+1 t n t n

17 Condiciones de contorno Contornos abiertos Calado constante Salida en ríos, canales Calado variable en tiempo Marea Condición de vertedero Condición de vertedero Sección de control curva de gasto Hidrograma Caudal total constante Entrada en ríos, canales Hidrograma Avenidas en ríos

18 Hidrodinámica Contornos abiertos Calado variable en tiempo Onda de marea

19 Fricción de fondo Fórmula de Manning 2 2 n U U n U U x y 4/3 b,y 4/3 τb,x ρ g h τ ρ g h h h

20 Fricción de pared Deslizamiento libre Ríos, zonas costeras Rozamiento Canales, estructuras hidráulicas u y κ KS * u Ln 30

21 Dominio Público Hidráulico Zona de flujo preferente T=100 años RD 9/2008 Modificación RDPH Vía de intenso desagüe Δ Z s < 0.3 m ( ) Daños graves para personas y bienes h > 1 m V > 1 m/s q > 0.5 m 2 /s Zonas inundables T = 500 años h > 0 m

22 Hidrodinámica Herramientas de soporte para determinación vía intenso desagüe Línea y distancia Polígono

23 Hidrodinámica Zonas de riesgo Zonas inundables

24 Frentes Seco-Mojado Mojado si h > tolerancia (e wd ) Método estable, conservativo, no difusivo t = 0 h t = 4 h

25 Frentes Seco-Mojado 3 Métodos distintos para el secado cuando V elemento <Dt SQ salida Secado normal: calado negativo (inestabilidades si h pequeño) e wd h<0 Secado estricto: reducción Dt (aumento tiempo de cálculo) e wd 0<h<e wd Secado hidrológico: reducción caudal de salida (disminuye precisión con v alta y h pequeño) e wd h=0

26 Ejemplo 1: Influencia acondicionamiento carretera T = 500 anys T = 100 anys T = 10 anys Cabal (m3/s) Temps (s)

27 Ejemplo 1: Influencia acondicionamiento carretera

28 Ejemplo 1: Influencia acondicionamiento carretera

29 Ejemplo 1: Influencia acondicionamiento carretera

30 Ejemplo 1: Influencia acondicionamiento carretera

31 Ejemplo 1: Influencia acondicionamiento carretera

32 Ejemplo 1: Influencia acondicionamiento carretera

33 Ejemplo 2: Actuaciones en el Puerto de Tarragona Escenario 1 Escenario 2 - Evaluación del efecto del río en el puerto de Tarragona - Evaluación de variables como velocidad, caudal, acción hidrodinámica, etc. -Propuesta de dos escenarios de cálculo de acuerdo a las nuevas infraestructuras diseñadas en el puerto

34 Ejemplo 2: Actuaciones en el Puerto de Tarragona Cota de agua Velocidad Número de Froude

35 Ejemplo 2: Actuaciones en el Puerto de Tarragona - Representación vectorial de la velocidad (magnitud)

36 Ejemplo 2: Actuaciones en el Puerto de Tarragona Capacidad de erosión

37 Ejemplo 3: Riesgo inundación en Andorra Base topográfica obtenida a partir de vuelos LIDAR. (puntos cada 0.5 m)

38 Ejemplo 3: Riesgo inundación en Andorra

39 Ejemplo 3: Riesgo inundación en Andorra

40 Ejemplo 3: Riesgo inundación en Andorra

41 Ejemplo 3: Riesgo inundación en Andorra Capacidad de arrastre

42 Ejemplo 4: Rotura instantánea balsa V = m 3 Calado = 5m

43 Ejemplo 4: Rotura instantánea balsa Malla de elementos Condiciones iniciales: y=5m en la balsa

44 Ejemplo 4: Rotura instantánea balsa

45 Ejemplo 4: Rotura instantánea balsa