Simulación de Flujo No Permanente en Ingeniería Hidráulica - Prof. Becerra, Esquemas y mapas conceptuales de Hidrología

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FLUJO NO PERMANENTE

OBJETIVO

• Implementar una simulación bajo condiciones de flujo no

permanente, implementando el modelo hidrodinámico.

• Ecuaciones de Saint Venant: Permiten evaluar la profundidad de la

lámina de agua y el caudal transportado con el tiempo y a lo largo de

la distancia. Requiere el uso de 2 ecuaciones diferencias en derivadas

parciales, no lineales sin solución analítica:

• Ecuación de continuidad: representa matemáticamente que la masa de agua que entra a un volumen de control menos la que sale tiene que ser igual a la variación de la masa de agua almacenada en ese volumen de control. Conservación de la masa de agua. 𝜕𝑦 𝜕𝑡 + 𝑣 𝜕𝑦 𝜕𝑥 + 𝐴 𝑏 𝜕𝑣 𝜕𝑥 = 0

• Ecuación de la conservación de la cantidad de movimiento: formula el balance o equilibrio entre todas las fuerzas actuantes sobre el volumen de control.
• Donde
  • v: Velocidad media en la sección
  • y: Altura lamina de agua
  • A: Área de la sección
  • b: Ancho superficial
  • x: Distancia del tramo
  • t: Tiempo
  • Io: Pendiente de fondo del canal
  • If: Pendiente línea de energía

𝜕𝑣 𝜕𝑡 = 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎 𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒 𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑛 𝑚𝑜𝑣𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎 𝑎𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙 (𝑓 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 ) 𝑣 𝜕𝑣 𝜕𝑥 = 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎 𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒 𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑛 𝑚𝑜𝑣𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎 𝑎𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎 (𝑓 𝑒𝑠𝑝𝑎𝑐𝑖𝑜 ) 𝑔 𝜕𝑦 𝜕𝑥 = 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑜𝑟𝑖𝑔𝑖𝑛𝑎𝑑𝑎𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑑𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑛𝑖𝑣𝑒𝑙 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑙𝑎𝑚𝑖𝑛𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑑𝑜𝑠 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑎

• Modelos dinámicos completos o Hidrodinámicos: Resuelven las

ecuaciones completas de Saint-Venant.

Definen simultáneamente tanto el caudal como la altura en cada

instante y en cada sección

Modelo hidrodinámico utilizado: UNET

Ventajas:

• Conocimiento de la lámina de agua en cada instante para regulación de caudales y regulación de compuertas
• Permite modelizar corrientes entrelazadas

Se debe verificar el paso de régimen lento a rápido.

Principales aplicaciones de modelos NP

• Laminación de crecidas en el cauce:
  • Disminución del caudal pico
  • Retraso de la llegada del caudal punta en zonas bajas del cauce
  • Diferentes resultados en función del tipo de cauce: influyen en la peligrosidad de las crecidas Con llanuras de inundación Cauce encajonado

• Curvas de descarga: en tramos de ríos con pendientes muy bajas

donde circula un hidrograma tiene dos relaciones altura – caudal:

• Ascenso del hidrograma: pendiente lámina de agua mayor a la pendiente del cauce (aumento de la capacidad de transporte)
• Descenso del hidrograma: Pendiente cauce mayor que pendiente lámina de agua

• Corrientes dependientes del tiempo:
  • Apertura o cierre de compuertas en presas o canales
  • Efecto de mareas
  • Extracción de agua por bombeo
  • Rotura de presas
  • Desbordamientos de diques de encauzamiento.

EJERCICIO

• Trabajar un hidrograma con un periodo de retorno de 50 años. Las

estaciones están separadas cada 20m y presenta un n de Manning de

0.03 en el cauce principal y 0.05 para las llanuras de inundación.

• Trabajar un caudal base de 1m3/s
• El evento de precipitación ocurrió el 20 de septiembre de 2022 y

generó un hidrograma entre las 2:00 AM y las 7:30AM.

• Las secciones transversales se encuentran en el archivo adjunto.
• En caso de ser necesario ajustar as estaciones, ingresar a:
  • View/edit geometric data > Tools > Cross Section Points Filter. Ajustar las tolerancias y Filtrar (disminuir numero de puntos)

Procedimiento:

• Crear el proyecto
• Agregar la geometría
• Generar la información de corrida del

modelo: perform an unsteady Flow

simulation.

• Definir programas a correr (Geometry preprocessor, Unsteady Flow simulation, Post processor)
• Definir fecha y hora de la simulación
• Establecer los intervalos de computo, de generación de mapa, salida del hidrograma y salida.
• Salvar el plan sin correrlo.

• Correr la simulación:
  • Entrar a la pestaña de Opciones y tolerancias de flujo no permanente, seleccionar la pestaña de 1D Mixed Flow Options y activar la opción Mixed Flow Regime