Modelación Hidráulica Hans Paul Sánchez Sán chez Tueros Tueros Universitat Universit at Polit Politècnic ècnica a de Catal Cataluny unya. a. BarcelonaT BarcelonaTech Centre Centr e Internacio Internacional nal de Mètode Mètodes s Numèr Numèrics ics en Enginye Enginyeria ria Instituto de Investigación Flumen
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Abastecimiento de agua
Abastecimiento de agua
Almacenamiento Almacenamiento de Agua Agua
Producción de Energía Eléctrica
Transporte
Navegación
Riego
Riego
Piscigranjas
Vertido
Daños de los ríos
Inundaciones
Erosión de Riberas
Erosión de Riberas
Daños del agua en las carreteras
Daños del agua en las carreteras
Rio de Janeiro
Santiago
Quito
Oruro
Modelación Hidráulica
Introducción
Para controlar el paso del agua hay que conocer su comportamiento
Hay que Modelar Numérica
Física
Reproducir matemáticamente el comportamiento del flujo, utilizando de métodos o técnicas numéricas, para resolver las ecuaciones que tratan de representar el fenómeno físico
Modelación Numérica
Modelación Física Laboratorio de Hidráulica y Mecánica de Fluidos(800m 2 , Q max= 0.3 m 3/s)
Laboratorio de Modelos Reducidos (2000m2 , Qmax= 0.6 m3/s)
Laboratorio de hidrometría
25
Para Par a que sirve una Modelación hidráulica Diseñar
el encauzamientos y obras de protección Estudiar la restauración de ríos Realizar los planes de emergencia en roturas de presa Estudiar la dinámica fluvial Evaluar y gestionar los riesgos de inundación Diseñar y optimizar las obras hidráulicas, bocatomas, desarenadores, partidores, etc Estudiar el drenaje urbana
Modelación Hidráulica
Introducción
¿Qué tipos de modelación numérica que podemos hacer? Según los datos que tengamos y la precisión que deseemos podemos disponer de tres tipos de modelos:
Modelos
Unidimensionales 1D Modelos Bidimensionales 2D Modelos Tridimensionales 3D
Modelación unidimensional
Se considera que el flujo sigue una misma dirección
Conservación o Balance de energía (Trinomio de Bernoulli 1738), entre dos secciones
1 + 1 + 1 ∙
1 2
= + + ∙
2
+ ∆
También algunos programas utilizan la ecuaci ecuación ón de Sant Sant Venant enant en 1D Daniel Bernoulli
Hipótesis de la Modelación unidimensional
1. Movimi Movimient ento o en la la direcc dirección ión del eje eje 2. Niv Nivel el cons constan tante te en una una sec secció ción n 3. Vel eloc ocid idad ad uni unifo form rmee
1 + 1 + 1 ∙
1 2
= + + ∙
2
+ ∆
XS Cut Lines
Modelación unidimensional Hipótesis de los modelos en 1D
Modelación unidimensional
U.S. Army Corps of Engineers. Hydrologic Engineering Center
MIKE MI KE 11 - ri rive verr mo mode delli lling ng
Modelación unidimensional
Modelación unidimensional
Modelación unidimensional
Modelación unidimensional
Modelación unidimensional
Modelación unidimensional
Modelación unidimensional
No se debe hacer con Modelación unidimensional
No se debe hacer con Modelación unidimensional
Modelación bidimensional Ecuaciones
Completas de Saint-Ve -Venant en 2D h q x q y 0 t x y
q x q 2x h 2 qxq y g g h (Sox -Sfx ) t x h 2 y h q y q x q y q 2y h2 g g h (Soy -Sfy ) t x h y h 2
Adhémar Jean Claude Barré de Saint-Venant Saint-Venant 1717
El modelo Iber
Ecuaciones Hidrodinámicas Conservación de la masa
h q x q y 0 t x y
El modelo Iber
Ecuaciones Hidrodinámicas Conservación de a cantidad de Movimiento deriva de las 2da Ley de Newton F=ma
q x q h g 2 t x h 2 x
inercia
2
qxqy g h (Sox -Sfx ) y h
presión
gravedad
Se resuelve con método numéricos
rozamiento
Modelación bidimensional
Introducción Modelación bidimensional
Introducción Modelación bidimensional
Modelación bidimensional
MIKE MIKE 21 - 2D model modellin ling g
Representación del terreno
Representación del terreno
Representación del terreno
Representación del terreno
Representación del terreno
Representación del terreno
Modelación bidimensional
3500
3000
T = 500 anys T = 100 anys T = 10 anys
2500
) s / 3 m ( l a b a C
2000
1500
1000
500
0 0
10000
20000
30000
40000
Temps (s)
50000
60000
70000
80000
Ejemplo 1: Influencia acondicionamiento carretera
Modelación bidimensional
Modelación bidimensional
Modelación bidimensional
Modelación bidimensional
Modelación bidimensional
Ejemplo 6: Rotura de balsa Malla de 30104 elementos Condiciones iniciales: y=5m en la balsa
Modelación bidimensional
Modelación bidimensional
Modelación bidimensional
Limitaciones del modelo bidimensional
Limitaciones del modelo bidimensional
Modelación Tridimensional
Los modelos 3D utiliza las ecuaciones generales del Flujo
∙=0
Ec. Con. Masa Ec. Navier-Stokes
− + ∆ + =
Claude-Louis Henri Navier
George Gabriel Stokes
Modelación Tridimensional
Modelación Tridimensional
Modelación Tridimensional
Modelación Tridimensional
Modelación Tridimensional
Modelación Tridimensional
Modelación Tridimensional
Modelo de flujo bidimensional en ríos y estuarios
Entidades que participan
Iberaula Iber se distribuye a través de la página web de Iberaula de forma GRATUITA:
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Desca escarg rgar ar el model odelo, o, comp compllemen emento tos s y mater ateriial de sopo soport rte e Info Inform rmar arse se de los los curs cursos os pres presen enci cial ales es prev previs isto tos s Acceder al foro de Iber
Módulo de calidad de aguas de Iber •
En la versión actual del módulo de calidad de aguas se incluyen las siguientes sustancias y variables: Sali Salini nida dad d
(S) (S) Temp Temper erat atur ura a (T) (T) Escheri heric chia Coli oli (E. (E. Col Coli) Ox Oxíg ígen eno o disu disuel elto to (OD) (OD) Demand manda a bio bioquím químiica de oxíg oxígen eno o carbon rbonos osa a (DBO (DBOC C) Nitr Nitróg ógen eno o orgá orgáni nico co (N-o (N-org rg)) Nitr Nitróg ógen eno o amon amonia iaca call (N-N (N-NH3 H3)) Nitróg tróge eno en form forma a de nitrit trito os/ni /nitrat trato os (N-N (N-NO3 O3)) •
Futur Futuras as versio versiones nes imple impleme menta ntarán rán nuevas nuevas sustan sustancia cias s
El modelo Iber
Central hidroeléctrica hidroeléctrica del Montnegre
El modelo Iber
Central hidroeléctrica hidroeléctrica del Montnegre
7 ciclos de bombeo bom beo - turb turbina inado do
El modelo Iber
Central hidroeléctrica hidroeléctrica del Montnegre
7 ciclos de bombeo bom beo - turb turbina inado do
El modelo Iber
Viento Lucio del Membrillo
4 marzo m K
2
1 marzo
El modelo Iber
Viento Rozamiento superficial por viento Van Dorn (1953) τs
ρa
ρ
C10 V10
τs
2
ρ
ρ
_ _ _ _ 1.4
40 2:10
1.3
35 16:50 13:20
16:30
13:50
1.2
l) s
14:20
15:20 19:20
a 1.1
15:00
(m o ti
15:20
14:10
n
3:20
0:00
18:00 max16:40
min20:50
30
0:00
2:50
a 1.0
)
V=0 m/s s/
25
15:40
15:50
(m tyi c lo
20
v
e
le
v e d r et
a 0.9
15
W
01:40 16:20
14:50
0.8
in W
10
14:00
15:30
16:20
12:50 20:40
0.7
5
0.6
0 18
19
20
21
22
23
24
25
February 2006 Co ta ta s en so sor es es _D 02
C ot ot a s en so sor es _D 04
C ot a_ a_D 02 02
C ot a_ a_D 04 04
N
NE
E
SE
S
SW
W
NW
V=3 m/s
3 10
6
V10
2
El modelo Iber
Viento Lucio del Membrillo
m K
2
Visualización de resultados en 3D
Troncos Flotantes
Woody oody debr debris is flo flow Objetivo: Efecto del transporte de madera en la hidrodinámica: - Aumen umento to del del roz rozam amie ient nto o - Obstrucciones Repercusiones en la evaluación de la peligrosidad.
Troncos Flotantes - Velocid elocidad ad límite límite - Movimient Movimiento o de los troncos troncos
Balance de fuerzas sobre un tronco: Fuerzas de gravedad Fuerzas de arrastre Fuerzas de fricción
a
∙ ∙ ∙ ∙ 4 − ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ −
=
0.5 ∙ ∙∙ ∙ ℎ ∙ + ∙
F F F g f d L A w w w
U
n 1
log
U
n
log
t a
Se considera también la rotación
X
n 1
log
X
n
log
t U
n
log
1 2
2
a t
Troncos Flotantes
Choque Cho ques s ent entre re tronco troncos s V f (1 e) V cm Vcm
e V i
m1 V 01
m2 V 0 2
m1
m2
e: coef. de elasticidad
Interacción entre los troncos y el cauce: A) Si se monta sobre la orilla, se para. Si las fuerzas son suficientes gira y sigue si gue B) Desliz Desliza a contra contra una pared
C) Rebot Rebota a contra contra una pared
Troncos Flotantes Interacción con obstáculos (condiciones internas)
Resistencia sobre el flujo debida a los troncos
F
d
τ
wood ,i
log s
Ai
Troncos Flotantes SIMULACIONES
Ejemplos de simulaciones con transporte por flotación
Troncos Flotantes
ENSAYOS EN CANAL DE LABORATORIO
Comparación de trayectorias medidas y calculadas:
Troncos Flotantes
ENSAYOS EN CANAL DE LABORATORIO Se ensayaron atascos en obstrucciones
Sobreelevación Sobreelevac ión provocada por los troncos en la lámina de agua: Modelización de troncos atrapados
Lámina sin troncos
Lámina con troncos
Troncos Flotantes Aplicación.
CUENCA DE VENERO CLARO aumento en el calado modificación en la rugosidad variaciones en el campo de variaciones velocidades
Troncos Flotantes
El IGME realizó la reconstrucción del caudal de avenida y niveles de agua de la avenida de 1997
Caudal punta: 123 m 3/s
Troncos Flotantes
CUENCA DE VENERO CLARO. SIMULACIÓN EPISODIO 1997 Calibración del caudal de madera, coeficientes de arrastre y fricción para reproducir los niveles máximos reconstruidos Cota lámina sin troncos
Wood Woody y flow flow
Cota lámina con troncos
Troncos Flotantes
El modelo Iber
Desarrollos futuros DRENAJE UBANO DUAL
Captación de escorrentía
Flujo en colectores (Lámina libre libre y presión)
Intercambio entre calles y colectores
Singapore
Hans Paul Sánchez Tueros Universitat Universit at Poli Politècnic tècnica a de Catalunya. Catalunya. Barcelona BarcelonaTech Tech Centre Centr e Internaciona Internacionall de Mètodes Numèr Numèrics ics en Enginyeri Enginyeria a
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