Modelación hidráulica de flujos multifase en grandes presas. Aplicación al diseño de cuencos de amortiguación

Abstract

[EN] Numerical modelling of multiphase flows is very broad field of study, which can range from the chemical, petrochemical, thermal to hydraulic engineering. From the hydraulic point of view, sediment transport and flow aerated spillway are probably the two more interesting applications. As flows taking place in spillways are highly aerated supercritical flows with a wide range of bubble size, its modelling is specially complicated. Thus, hydraulic engineering multiphase flows are no doubt one of the biggest challenges in the international hydraulic framework.

The turbulent air entrainment model, as described in Chapter 2.3.5, is calibrated in Chapter 3 and subsequently validated in Chapter 4. The results of this Chapter show a good fit for the range of slopes analysed (30º - 53º), what encourages us to test it in an application of a special engineering interest.

The proposed practical application is to find an optimal height of the chute blocks of the dam. 3D simulations are carried out ensuring always a 1:5 depth/width ratio in order not to lose the three-dimensionality of the flow; as suggested by Dr. Hager both in his Vision Paper on the Journal of Hydraulic Research (2014) about Hydraulic Structures and by personal mail.

Surprisingly the optimal chute block height has proven to be the same as years ago suggested in the earlier studies on energy dissipation elements. The simulations conducted, both under design and unfavorable conditions, have shown the suitability of this chute block height and its stabilizing effect upon the hydraulic jump.

[ES] La modelación numérica de flujos multifase es sin duda un campo muy amplio, que puede abarcar desde la ingeniería química, petroquímica, térmica o hidráulica. Desde el punto de vista hidráulico, son probablemente el transporte de sedimentos y el flujo aireado en aliviaderos las dos aplicaciones de mayor interés. Las características de los flujos aireados en aliviaderos son especialmente interesantes pues nos encontramos ante flujos supercríticos altamente aireados con una granulometría de burbujas muy amplia que a su mismo tiempo puede evolucionar en el tiempo debido a la turbulencia y presiones locales que sufren las burbujas. Los flujos supercríticos de por sí ya presentan un reto para la modelación numérica. Así, esta vertiente del problema multifase en la ingeniería hidráulica hace sin ninguna duda los flujos en aliviaderos uno de los mayores retos con los que nos encontramos en el panorama hidráulico internacional.

El modelo de reaireación turbulenta, descrito en el Capítulo 2.3.5., es calibrado en el Capítulo 3 y posteriormente validado en el Capítulo 4. Los resultados de este último capítulo muestran un buen ajuste para el rango de pendientes analizado (30º - 53º). Lo que nos anima a testearlo en una aplicación con cierto interés ingenieril. Esta aplicación, y como se ve en los resultados del capítulo 5, podríamos decir que se convierte en una segunda validación del modelo.

La aplicación práctica planteada es la de encontrar una altura óptima de los dientes de pie de presa, que juegan un papel estabilizador del resalto hidráulico en el cuenco de amortiguamiento. Las simulaciones realizadas son 3D manteniendo una relación entre el calado y el ancho de 1:5 con el objetivo de no perder la tridimensionalidad del flujo; tal y como sugiere el Dr. Hager tanto en su Vision Paper del Journal of Hydraulic Research (2014) sobre estructuras hidráulicas como en correspondencia mantenida personalmente. Esto ha servido también para validar la calibración, que se había llevado a cabo en 2D, al no observar diferencias apreciables en las velocidades y concentraciones de aire (tal y como cabía de esperar).

Sorprendentemente, de todas las alturas de diente de pie de presa analizadas, la óptima ha resultado ser la misma que se sugería años atrás en los primeros estudios sobre elementos de disipación de energía. En ellos, se examinaba un rango más pequeño de dientes y no se pretendía optimizar si no dar una altura mínima válida. Las simulaciones conducidas tanto en condiciones de diseño como en condiciones desfavorables han mostrado la idoneidad de este tamaño de diente y su papel estabilizador del resalto. Ha servido también para identificar el papel clave que juega al no funcionar como un bloque de impacto si no como una macrorrugosidad. A modo de calibración última del modelo se han comparado los resultados con los datos experimentales para resalto hidráulico sobre pared lisa y resalto hidráulico sobre pendiente tipo B.