Numerical and physical modelling approaches to the study of the hydraulic jump and its application in large-dam stilling basins

Abstract

[ES] El resalto hidráulico constituye uno de los fenómenos más complejos con aplicación en el campo de la ingeniería hidráulica. Por un lado, las propias características del resalto, entre las que se encuentran las grandes fluctuaciones turbulentas, la intensa entrada de aire y una disipación de energía muy significativa, contribuyen a su complejidad situando el conocimiento actual del fenómeno lejos de una comprensión total del mismo. Por otro lado, es precisamente la naturaleza disipadora de energía del resalto la que da lugar a su principal aplicación práctica. Así pues, la investigación que aquí se presenta trata de contribuir al conocimiento general del resalto hidráulico y su aplicación para disipar energía en cuencos amortiguadores de grandes presas. Para ello, se abordaron las bases del fenómeno mediante la caracterización de un resalto hidráulico clásico (RHC). La investigación se llevó a cabo bajo una doble perspectiva de modelación numérica y física. Se emplearon técnicas de Dinámica de Fluidos Computacional (DFC) para la realización de simulaciones de este resalto hidráulico, a la vez que se llevó a cabo una campaña experimental en un modelo físico específicamente diseñado para tratar el caso. De este modo, se abordaron los aspectos más relevantes del resalto hidráulico, incluyendo el ratio de calados conjugados, la eficiencia del resalto, la longitud de la zona de recirculación, el perfil de la lámina libre, las distribuciones de velocidad y presión, la longitud del resalto y el análisis de frecuencias. Los resultados de los modelos físico y numérico fueron comparados, no solo entre ellos, sino también con información de otros autores procedente de una extensa revisión bibliográfica. Ambos modelos mostraron su capacidad para representar con precisión el fenómeno estudiado. En base a este análisis se observa que la metodología empleada resulta adecuada para la investigación del fenómeno a estudiar. Una vez llevada a cabo la caracterización del RHC, se procedió a analizar un cuenco amortiguador para disipación de energía. En particular, se estudió un caso general y representativo de cuenco amortiguador tipificado USBR II, a partir de la doble perspectiva de modelación física y numérica. Asimismo, los resultados se compararon con datos y expresiones bibliográficas. Esta comparación pretendía evaluar los rasgos particulares del resalto hidráulico en cuencos amortiguadores de grandes presas, así como la influencia de los elementos disipadores de energía en el flujo. Todos los resultados mostraron estar en la línea de las investigaciones de otros autores, más allá de ciertas diferencias relativamente pequeñas. En consecuencia, la metodología desarrollada muestra su utilidad para abordar el estudio del flujo en cuencos amortiguadores. En concreto, los resultados presentados contribuyen a expandir el conocimiento sobre el RHC y el flujo en un cuenco amortiguador tipificado USBR II. Así pues, los resultados pueden emplearse para mejorar el diseño de estructuras de disipación de energía en grandes presas. Durante los últimos años, la adaptación de cuencos amortiguadores a caudales superiores a los empleados para su diseño ha ganado gran relevancia. Esta adaptación resulta clave por los efectos del cambio climáticos y las crecientes exigencias de la sociedad en materia de seguridad y protección frente a avenidas. De este modo, toda contribución a la modelación de resaltos hidráulicos, como la que aquí se presenta, resulta crucial para afrontar el reto de la adaptación de las estructuras hidráulicas para disipación de energía.

[EN] The hydraulic jump constitutes one of the most complex phenomena with application in hydraulic engineering. On the one hand, a series of features bound to the hydraulic jump nature, such as the large turbulent fluctuations, the intense air entrainment and the significant energy dissipation, contribute to build its complexity, which places the current knowledge far from a full understanding of the phenomenon. On the other hand, it is precisely this energy dissipating nature that justifies its use in large-dam stilling basins, which constitutes its main practical application. Hence, the research here presented aimed to contribute to the general knowledge of the hydraulic jump phenomenon and its application for energy dissipation purposes in large-dam stilling basins. To this end, the bases of the phenomenon were addressed by characterising a classical hydraulic jump (CHJ). The research was conducted under a double numerical and physical modelling approach. Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques were employed to simulate the hydraulic jump, whereas an experimental campaign in a physical model designed for the purpose was carried out too. The most relevant hydraulic jump characteristics were investigated, including sequent depths ratio, hydraulic jump efficiency, roller length, free surface profile, distributions of velocity and pressure, hydraulic jump length and fluctuating variables. The results from the physical and the numerical models were compared not only between them, but also with bibliographic information coming from an extensive literature review. It was found that both modelling approaches were able to accurately represent the phenomenon under study. Once the characterisation of the CHJ was carried out, the analysis of an energy dissipation stilling basin was developed. In particular, a general and representative case study consisting in a typified USBR II stilling basin was analysed through a physical and numerical modelling approach. In addition, the modelled results were compared with data and expressions coming from a bibliographic review. This comparison was intended to assess the particular characteristics of the hydraulic jump in a large-dam stilling basin, as well as the affection of the energy dissipation devices to the flow. The results revealed not only similarities to the CHJ, but also the influence of the energy dissipation devices existing in the stilling basin, all in good agreement with bibliographic information, despite some slight differences. Consequently, the presented modelling approach showed to be a useful tool to address free surface flows occurring in stilling basins. In particular, the results reported contribute to the enhancement of the knowledge concerning the CHJ and the flow in a typified USBR II stilling basin. These results can be used to improve the design of large-dam energy dissipation structures. This is a key issue in hydraulic engineering, especially in the recent years. Thus, there is an increasing urgency for the adaptation of existing stilling basins, which must cope with higher discharges than those considered in their original design. The adaptation of these structures becomes even more important due to climate change effects and increasing society demands regarding security and flood protection. In these terms, contributions to hydraulic jump modelling, as the ones presented in this research, are crucial to face the challenge of energy dissipation structures adaptation.

[CA] El ressalt hidràulic constitueix un dels fenòmens de major complexitat amb aplicació en el camp de l'enginyeria hidràulica. D'una banda, les característiques del propi ressalt, com poden ser les grans fluctuacions turbulentes, la intensa entrada d'aire i una dissipació d'energia molt significativa, contribueixen a la seua complexitat, de manera que el coneixement actual del ressalt està lluny d'una comprensió total del mateix. D'altra banda, és precisament la gran dissipació d'energia associada al ressalt la que motiva la seua principal aplicació pràctica. La investigació que ací es presenta tracta de contribuir al coneixement general del ressalt hidràulic i la seua aplicació per dissipar energia al vas esmorteïdor de grans preses. En primer lloc, s'abordaren les bases del fenomen mitjançant la caracterització d'un ressalt hidràulic clàssic (RHC). La investigació es va dur a terme sota una doble perspectiva de modelització física i numèrica. El ressalt hidràulic es va simular emprant tècniques de Dinàmica de Fluids Computacional (DFC), mentre paral·lelament es desenvolupava una campanya experimental amb un model físic específicament dissenyat per tractar aquest cas. D'aquesta manera, es van abordar els aspectes més rellevants del ressalt, incloent el ràtio de calats conjugats, l'eficiència, la llargària de la regió de recirculació, el perfil de la superfície lliure, les distribucions de velocitat i pressió, la llargària del ressalt i l'anàlisi de freqüències. Els resultats dels models físic i numèric es compararen, no solament entre ells, sinó també amb informació procedent d'una extensa revisió bibliogràfica. Ambdós models van mostrar la seua capacitat per reproduir amb precisió el fenomen estudiat. Prenent aquest anàlisi, s'observa que la metodologia desenvolupada resulta apropiada per investigar fenòmens com el ressalt hidràulic. Caracteritzat el RHC, s'analitzà un vas esmorteïdor amb funció dissipadora d'energia. Concretament, s'estudià un cas general i representatiu de vas esmorteïdor tipificat USBR II, partint de la doble perspectiva de modelització física i numèrica. Així mateix, els resultats es van comparar amb dades i expressions bibliogràfiques. Aquesta comparació pretenia avaluar les particularitats del ressalt hidràulic al vas esmorteïdor de grans preses, així com la influència al flux dels elements dissipadors d'energia. D'aquesta manera, els resultats es situaren en la línia d'investigacions d'altes autors, més enllà de les lleugeres diferències reportades. En conseqüència, la metodologia desenvolupada mostra la seua utilitat per abordar l'estudi del flux en estructures de dissipació d'energia. En particular, els resultats contribueixen a expandir el coneixement relatiu al RHC i al flux en un vas esmorteïdor tipificat USBR II. Així, aquests resultats poden ser utilitzats per millorar el disseny de les estructures de dissipació d'energia de grans preses. Durant els últims anys, l'adaptació de vasos esmorteïdors a cabals superiors als considerats en la seua fase de disseny ha guanyat especial rellevància. Aquesta adaptació resulta crucial pels efectes del canvi climàtic i les creixents demandes de la societat en matèria de seguretat i protecció front a inundacions. En definitiva, tota contribució a la modelització de ressalts hidràulics, com la que ací es presenta, és de gran importància per afrontar el repte de l'adaptació d'estructures hidràuliques dissipadores d'energia.