hidraulica de canales

APLICACIÓN 1

Un canal de revestimiento de concreto y de sección rectangular con las siguientes

características:

El canal está formado por tres pendientes de aguas arriba a aguas abajo i1,

i2 i i3.

Perfil del Canal Cada uno de las tres pendientes, tienen una longitud l1,l2,l3.

Aguas arriba y aguas abajo, están conectados a unos depósitos, que pueden

variar la altura de agua entre Z2 i Z3 i entre Z4 i Z5 respectivamente. En cada caso

se considera que la energía de velocidad para cada Zi, viene dada por el calado

correspondiente al caudal de paso. La cota de fondo del canal en el extremo de

aguas abajo es Z1

El cabal que se incorpora en el extremo de aguas arriba es Q1 = 15.17 m3/s

En el tramo central, en su punto medio, hay una entrada de caudal Q2= 9.10 m3/s.

En el mismo tramo central, justo donde se incorpora el caudal hay un

ensanchamiento de la sección para dar mayor capacidad al canal. A efectos de

analizar el funcionamiento hidráulico se considerara que el cambio de sección será

muy brusco.

Aguas arriba y aguas abajo del cambio de sección se debe imponer que:

a. La velocidad no supere en cada sección 4.5m/s.

b. El tirante de agua en régimen uniforme es el mismo.

Es considerara un valor del Coeficiente de Manning de 0.018.

La altura del tirante se mantendrá constante en todo el canal y con un borde libre

mínimo de de 0.30m.

Discutir los siguientes aspectos:

1. Dimensionar, los anchos de los diferentes tramos del canal, para cumplir con

todas las condiciones anteriores. Obtener una primera estimación del perfil de

la lámina de agua utilizando un espaciamiento entre secciones de ir una

primera estimación del perfil de la lámina de agua, utilizando un espaciamiento

de secciones de 5 m. Discutir las condiciones de contorno empleadas. Seria

posible el caso Z4, suponiendo que en el depósito la Energía de velocidad es

despreciable?. Porque suponiendo la condición de contorno Z5, no mantiene

este calado aguas abajo?

2. Fijar un espaciamiento adecuado entre secciones de cálculo. Compara los

resultados de espaciamiento de 1m, 5m i 10m.

3. Comparar el comportamiento hidráulico del canal hidráulicos considerando las

perdidas localizadas en por contracción y ensanchamiento del canal

considerado las que pone el HEC-RAS por defecto, con las que se obtendría

teniendo en cuenta solo las de ensanchamiento. Para un canal prismático

como el estudiado cual de las dos condiciones es la más adecuada?

4. En estas condiciones describir el comportamiento del canal.

5. Discutir para el tramo dos la evolución de las curvas de Tirante-energía

específica (eje abscisa) distancia aguas abajo(eje abscisa)- energía específica

(eje de ordenadas) y distancia aguas abajo(eje abscisa)- energía mecánica

total por unidad de peso.

Observaciones:

A partir del apartado 2 (incluido) se considera los niveles Z3 i Z5.

1. APLICACIÓN:

La simulación del comportamiento hidráulico del canal de hormigón, se realiza con

la ayuda del programa HEC-RAS River Analysis System, que permite el análisis

unidimensional de flujo en régimen permanente.

Para la realización del trabajo, se ha tomado en cuenta, las restricciones referidas

a niveles de solera del canal, longitudes entre tramos, niveles de reservorios,

caudal circulante en los tramos.

El caudal de aguas arriba del canal es de Q1 = 15.17 m3/s.

En el tramo central, en su punto medio, hay una entrada de caudal de Q2=

9.10 m3/s.

No se debe superar la velocidad de 4.5 m/s.

La altura se impondrá constante en todo el canal, con bordo libre 0.30 m.

1. Calculo de las características del canal:

Calculo de las pendientes de los tramos:

Nombre Día Mes Año EdadDiego Alfonso Gómez Cortés 13 11 86 24

Pau Bernadas 2 3 86 24Victor Rendón 10 4 67 43

Calculo de las longitudes de los tramos:

Nombre Día Mes Año EdadDiego Alfonso Gómez Cortés 13 11 86 24

Pau Bernadas 2 3 86 24Victor Rendón 10 4 67 43

Calculo de los niveles conocidos de los tramos:

Calculo de los caudales:

Caudales

15.17

9.10

m3/s

1Q

2Q

Esquema del tramo en estudio:

Fig. 1. Esquema de Estudio

Planes Generados Hec-Ras

-

Fig.2 Planes de Estudio Hec-Ras

Punto No. 11. Dimensionar, los anchos de los diferentes tramos del canal, para cumplir con todas las

condiciones anteriores. Obtener una primera estimación del perfil de la lámina de agua

utilizando un espaciamiento entre secciones de ir una primera estimación del perfil de

la lámina de agua, utilizando un espaciamiento de secciones de 5 m. Discutir las

condiciones de contorno empleadas. Seria posible el caso Z4, suponiendo que en el

depósito la Energía de velocidad es despreciable?. Porque suponiendo la condición de

contorno Z5, no mantiene este calado aguas abajo?

El canal es de sección rectangular, para su dimensionamiento de evaluaron los

valores de yO y el valor del

yC , para una geometría de máxima eficiencia

hidráulica, para determinar si cumplía con las condiciones impuestas, para luego ir

adaptándolas a las restricciones propias de niveles de reservorios y velocidades.

Las secciones finales con las que se realizó el análisis son las siguientes:

Tabla No. 1. Características Geométricas y Tipo de Flujo

Tramo Caudal Base Pendiente C. Manning Yc Vc Yn Vn Numero Regimen

m m/m m m/s m m/s Froude

1 15.17 3 0.001543 0.018 1.38 3.67 2.43 2.08 0.42 Lento

2 15.17 3 0.00863 0.018 1.38 3.67 1.26 4.01 1.14 Rápido

3 24.27 4.5 0.00863 0.018 1.44 3.75 1.22 4.42 1.28 Rápido

4 24.27 4.5 0.001157 0.018 1.44 3.75 2.54 2.12 0.43 Lento

m3/s s/m1/3

Caaa

Tramo 1 i1= 0.001543 – R. Lento Tramo 2 i2 = 0.00863 R. Rápido

Fig.3 Secciones canal

Las velocidades no superan los 4.5 m/s y se ha considerado un resguardo de 0.30

m., la mayor velocidad encontrada es de 4.42 m/s en el Tramo 2, si el calado llega

a ser el normal.

Vale la pena aclarar que la altura necesaria del canal no tendría que ser superior a

2.85 m. (2.54 m de altura de agua), pero con tenemos un nivel del reservorio

Z3=28.30 m. aguas abajo del canal y es esta una restricción, la altura del canal

mas el resguardo sería de 4,60 m.

Fig. 4 Sección Tramo 1 y parte Tramo 2

Tramo 3 i2= 0.00863 R. Rápido Tramo 4 i3 = 0.001157 R. Lento

Fig. 5 Sección parte final Tramo 2 y Tramo 3

Para hallar el perfil de la lámina de agua se utilizaron varias combinaciones,

variando los niveles de los reservorios, tanto aguas abajo como aguas arriba.

Como se observó en la Tabla No. 1, el canal posee tanto régimen rápido como

régimen lento, por lo tanto el HEC-RAS se debe correr en flujo Mixto. Haciendo

que se necesiten condiciones de contorno conocidas tanto aguas arriba como

aguas abajo. Estas condiciones se obtienen de los niveles de los reservorios Z2,

Z3 aguas abajo y Z4 y Z5 aguas arriba.

Fig. 6 Steady Flow Analysis

Combinación aguas arriba Z4 = 37.45 m. y aguas abajo Z2=24.30 m.

0 1000 2000 3000 4000 500022

24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

Hidrodinamica Plan: 1) z2 y z4 28/12/2010

Main Channel Distance (m)

Ele

vatio

n (m

)

Legend

WS PF 1

Crit PF 1

Ground

LOB

ROB

Canal Proyecto Final

Fig. 7 Perfil Lámina de agua combinación Z4 y Z2

En este perfil debido a que la condición Z4 = 37.45 m. se encuentra por debajo de

Zf+ Yc= 37.15+1.38 = 38.53 m, se debe producir régimen rápido en las primeras

secciones (perfil M3) donde el tirante crece de 0.30 m. a 0.6880 m. que es el

calado conjugado de 2.43 m, en régimen lento a donde se llega a través de un

Resalto hidráulico.

Fig. 8 Salto Hidráulico, tirante conjugados y1=0.68 m. i y2=2.43 m.

Distancia (m)

Niv

el (

m)

Si bien eso era lo previsible, pero si utilizamos la Ecuación diferencial de Curva de

Remanso:

dydx

= i−I1−F1

2

Fig. 9 Curva de Remanso, condición de contorno yc=1.38 m.

Tabla 2. Resultados procesados en Matlab.

Rutina de cálculo Matlab, Curva de Remando, Método Numérico Runge Kutta, 4to Orden

Función Curva de Remanso Matlab Ahora si verificamos como condición de contorno en el cambio de pendiente del

Tramo 1 al Tramo 2, el calado crítico = 1.38 m., vemos que nunca llega a

desarrollarse el régimen uniforme en el Tramo 1, pues el tirante que alcanza en los

1272 metros es 2.40 m., - curva M2 -, por lo cual el tirante conjugado en régimen

rápido es 0.699 m, curva M3 de 0.30 m. a 0.70 m.

Fig. 10. Salto Hidráulico, tirante conjugados y1=0.70 m. i y2=2.40 m.

Fig. 11. Esquema Tramo 1, condición Z4 y Z2

En la segunda parte del canal se debería generar un perfil S2, pasando por la

condición de flujo crítico en el cambio de pendiente, este perfil se muestra

inestable por que la pendiente del Tramo 2 = 0.00863 m/m, es muy cercana a una

pendiente crítica 0.00675 m/m, haciendo que el numero de Froude este muy

cercano a 1 y esto genera la inestabilidad.

Es importante también determinar, si se desarrolla el régimen uniforme en los 504

metros del tramo, para lo cual, utilizamos nuevamente la ecuación diferencial, la

que también comprueba la existencia de inestabilidades y genera warnings en

Matlab, por la aparición de cantidades imaginarias, lo cual es previsible, pues el

número de Froude es cercano a 1.

Tabla 3. Resultados procesados en Matlab.

En el cuadro se aprecia que el Numero de Froude en régimen Uniforme es 1.14

por lo cual es muy cercano a 1.

Fig. 12. Esquema Tramo 1, condición Z4 y Z2

Al ser el número de Froude > 1, se debe analizar el comportamiento del canal de

por la posibilidad de “Roller Waves”.

El flujo rápido, existe una inestabilidad de la superficie, por lo cual la profundidad

normal, no puede ser considerada un valor promedio.

Estas inestabilidades son una serie de ondas de gravedad de pequeña altura,

llamadas Roller Waves, que viajan progresivamente hacia las aguas abajo del

canal, la rotura de estas ondas causan entrada de aire. Se evalúan con el número

de Vedernikov la posibilidad de trenes de ondas, pero escapa a los alcances.

Tabla 4 .Características Hidráulicas sector de ingreso de Caudal 2

En la zona del incremento de caudal, se produce un efecto local, es decir aguas

arriba de la sección de ingreso del caudal 2, el fluido se desacelera,

incrementando su calado de 1.41 a 2.05 m., lo cual se aprecia por la disminución

de los números Froude en el sector, para luego después del incremento de caudal,

tener el tirante crítico de 1.44 m., correspondiente a la suma de los dos caudales,

para luego configurar una curva S2, hasta empalmar en el tirante normal de 1.24

m. para la pendiente 0.008630 m/m.

Fig. 13. Efecto Local Esquema Tramo 1, condición Z4 y Z2

Al pasar de una pendiente rápida a una pendiente lenta, se vuelve a generar un resalto hidráulico, pasando el tirante de 1.24 a 1.65 m., para luego empalmar mediante una curva M2, con el tirante normal de 2.54 m. correspondiente a la pendiente 0.001157 m/m.

Fig. 14. Cambio de pendiente Tramo 3, Salto Hidráulico y Curva M2

Al final del tramo 3 se genera un perfil M2 entregando a Yc, debido a que Z2 = 24.30, es menor al calado crítico 25.44 m., generando una entrega en caída libre.

Fig. 15. Tramo 3, zona de entrega reservorio

Fig. 16. Tramos 1,2,3 Z4=37.45 – Z2=24.30

Combinación aguas arriba Z4 = 37.45 m. y aguas abajo Z3 = 28.30 m.

0 1000 2000 3000 4000 500022

24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

Hidrodinamica Plan: 1) Z3 y Z4 28/12/2010


Ele

vatio

n (

m)

Legend

WS PF 1

Crit PF 1

Ground

LOB

ROB


Fig. 13. Perfil lámina de agua Z4 y Z3

Solo se presentan modificaciones con respecto al análisis realizado para la alternativa Z4 – Z2, en el tramo 3.

En el sector del cambio de pendiente los valores de calado se mantienen por lo cual se presenta el mismo comportamiento que con Z4 y Z2

Distancia (m)

Niv

el (

m)

Fig. 14. Cambio de pendiente Tramo 3, Salto Hidráulico y Curva M2

Al haberse incrementado la altura del reservorio a 28.30 m. el comportamiento de del canal en ese tramo varia, pues después de formar una curva M2, hasta alcanzar el tirante normal de 2.54 m., luego desarrolla una curva M1, que empalma con la altura del reservorio 28.30 m.

Fig. 15. Cambio de pendiente Tramo 3, Salto Hidráulico y Curva M2 –Curva M1 Z4-Z3

Figura No. 16 - Perfil Lámina de Agua en Z4-Z3

A partir de los valores obtenidos para las dos combinaciones en las que se emplea Z4 podemos concluir que no es posible esta condición para el diseño del canal. Ya

que las velocidades del régimen rápido (inicio del canal) llegan a valores de 16.86 m/s superando por casi 4 veces el límite permitido (ver Tabla No. 2). Si la velocidad en el embalse es despreciable las velocidades en el canal se mantendrán en régimen rápido y esto no permitiría cumplir con las condiciones de diseño, hasta que no se cambie la condición del nivel.

TABLA No. 2 - VELOCIDADES ANTES DEL RESALTOHIDRÁULICO EN EL TRAMO 1

ABSCISACAUDAL (m³/s)

CALADO (m)

VELOCIDAD (m/s) No. FROUDE

K00+000 15.17 0.30 16.86 9.83K00+005 15.17 0.35 14.75 8.04K00+010 15.17 0.39 13.11 6.74K00+015 15.17 0.43 11.79 5.75K00+020 15.17 0.47 10.71 4.97K00+025 15.17 0.52 9.79 4.35K00+030 15.17 0.57 9.01 3.84K00+035 15.17 0.60 8.33 3.41K00+040 15.17 0.65 7.72 3.05K00+045 15.17 2.40 2.11 0.43K00+050 15.17 2.40 2.11 0.43K00+055 15.17 2.39 2.11 0.43K00+060 15.17 2.39 2.11 0.44K00+065 15.17 2.40 2.11 0.44K00+070 15.17 2.40 2.11 0.44K00+075 15.17 2.40 2.11 0.44K00+080 15.17 2.39 2.11 0.44K00+085 15.17 2.39 2.11 0.44K00+090 15.17 2.40 2.11 0.44K00+095 15.17 2.40 2.11 0.44K00+100 15.17 2.39 2.11 0.44

Combinación aguas arriba Z5 = 41.45 m. y aguas abajo Z2=24.30 m.

0 1000 2000 3000 4000 500022

24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

Hidrodinamica Plan: 1) Z2 y Z5 28/12/2010


Ele

vatio

n (

m)

Legend

WS PF 1

Crit PF 1

Ground

LOB

ROB


Figura No. 17 - Perfil Lámina de Agua combinación Z5 y Z2

En este perfil debido a que la condición Z5 = 41.45 m. se encuentra por encima del y = 39.85 m., se genera que el perfil comience en Y = 2.40 m, ya se había detallado que por ser la longitud muy corta del canal no se llega desarrollar el régimen uniforme, esa condición produce un perfil M2.

Figura No. 18 - Perfil Lámina de Agua en reservorio aguas arriba

En la segunda parte del canal, el perfil de la lámina de agua es similar al de Z4-Z2, entregando al final al reservorio en caída libre.

Distancia (m)

Niv

el (

m)


1. Combinación aguas arriba Z5 = 41.45 m. y aguas abajo Z3 = 28.30 m.

0 1000 2000 3000 4000 500022

24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

Hidrodinamica Plan: Cond Z3 y Z5 28/12/2010


Ele

vatio

n (

m)

Legend

WS PF 1

Crit PF 1

Ground

LOB

ROB



A partir de la salida del agua del reservorio, se desarrolla un perfil M2, hasta el cambio de pendiente, en el tramo 2, se producen ondulaciones alrededor del calado crítico, para luego en la zona de ingreso de nuevo caudal se incrementa la altura, por un efecto local, que disminuye luego al tirante crítico,(Q= 24. 27 m3/s),

Distancia (m)

Niv

el (

m)

de donde mediante una curva S2, empalmar con el tirante normal en régimen rápido en el final tramo 2, en la zona de cambio de pendiente entre 2 y 3, se produce un pequeño salto hidráulico. Para luego formarse un perfil M2, que empalma con el tirante normal del tramo 3 y luego un perfil M1, hasta la condición de contorno Z3.


A la salida del embalse se genera una caída del nivel, antes de la sección de análisis, que tiende al calado uniforme, lo cual es muy difícil de conseguir ya que para esto se necesitaría una longitud mucho más corta en este tramo.

Punto No. 2

1. Fijar un espaciamiento adecuado entre secciones de cálculo. Compara los resultados

de espaciamiento de 1m, 5m i 10m.

Para resolver este apartado se hallaron los perfiles de la lámina de agua en para las tres separaciones propuestas.

Figura No. 22 - Perfil Lámina de agua, separación 1 m.

Figura No. 23 - Perfil Lámina de agua, separación 5 m.

Figura No. 24 - Perfil Lámina de agua, separación 10 m

2550 2600 2650 2700 2750 2800

30

31

32

33

34

Hidrodinamica Plan: 1) Z3 y Z5 11/01/2011 2) z3 y z5 1m 11/01/2011 3) z3 y z5 10m 11/01/2011


Ele

vatio

n (

m)

Legend

WS PF 1 - Z3 y Z5

WS PF 1 - z3 y z5 1m

WS PF 1 - z3 y z5 10m

Crit PF 1 - z3 y z5 1m

Crit PF 1 - Z3 y Z5

Crit PF 1 - z3 y z5 10m

Ground

LOB

ROB


Figura No. 25 - Comparación perfiles en la zona antes y después del ingreso del caudal. Es

el tramo 2.

Figura No. 26 - Comparación perfiles en la zona antes y después del ingreso del cauda,

diferentes separaciones.

En los perfiles de la lámina de agua para las diferentes separaciones se observan niveles muy similares en los tramos 1 y 3 pero para el tramo 2 los niveles cambian drásticamente mostrando en las separaciones de 1, 5 y 10 m una inestabilidad que lleva al agua a estar fluctuando entre el calado normal y el calado crítico. Esta inestabilidad se puede deber al método numérico que aplica el HEC-RAS, haciendo que a un mayor refinamiento la convergencia del método presente algunos problemas. Esta inestabilidad desaparece aguas abajo de la ampliación para la separación de 10 metros. Mientras que la separación de 1 y 5 metros continúan con la inestabilidad por eso serán descartadas para los análisis, además que produce un mayor gasto computacional innecesario.La separación de 10 metros muestra mucha mejor estabilidad, produce menor gasto computacional, y está de acuerdo con los cálculos iniciales mostrados en la Tabla No. 1.

Punto No. 3

Comparar el comportamiento hidráulico del canal hidráulicos considerando las perdidas

localizadas en por contracción y ensanchamiento del canal considerado las que pone

el HEC-RAS por defecto, con las que se obtendría teniendo en cuenta solo las de

ensanchamiento. Para un canal prismático como el estudiado cual de las dos

condiciones es la más adecuada?


TABLA No. 3COMPARACIÓN DE LAS LÁMINAS

á

SecciónNivel Lámina de Agua

Sin Perdidas (m)

Con Perdidas (m)

Aguas arriba del cambio de sección 32.72 32.78Cambio de Sección 32.37 32.37Aguas abajo del cambio de sección 32.11 32.14

Del análisis de los resultados considerando las pérdidas de carga, por defecto del Hec-Ras y las sin considerar las pérdidas, se debe precisar que al realizar la comparación de láminas, no hay un cambio sustancial en la altura del agua.Aguas arriba de la sección de cambio de sección, difieren en 0.06 m., en el cambio de sección son iguales y aguas abajo del cambio de sección, hay una diferencia de 0.03 m. Ambas agua arriba y abajo del cambio de sección, el menor valor de tirante de agua se presenta cuando no se considera sin pérdidas. Para este caso en particular, considerar las pérdidas no es significativo.

Punto 4

En estas condiciones describir el comportamiento del canal.

Figura No. 27 – Perfil lámina de agua, separación 10 m.

Tenir en compte el llistat d’avisos del càlcul (warnings) que dóna HEC-RAS en les

dues simulacions (apartats 3 i 4).

Figura No. 28 – Warnings

Para evitar la aparición de warnings, se procedió a disminuir la distancia entre secciones en la zona de ingreso de caudal 2, has 0.01 m., pero seguían apareciendo los warnings, por la inestabilidad del flujo en esta la sección.

Punto 5Discutir para el tramo dos la evolución de las curvas de Tirante-energía específica (eje abscisa)

distancia aguas abajo(eje abscisa)- energía específica (eje de ordenadas) y distancia aguas

abajo(eje abscisa)- energía mecánica total por unidad de peso


2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.20.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

CALADO - ENERGÍA ESPECÍFICA

Energía específica (mca)

Cala

do (m

)

Figura No. 29 –Tramo 2 Calado vs Energía Específica

En Figura No. 29 observamos que el calado al entrar en el tramo 2 se mantiene

más o menos constante (debido a la inestabilidad numérica que presenta el

programa no presenta un comportamiento estable), hasta antes de la entrada de

caudal donde el calado comienza a aumentar hasta generar un resalto hidráulico y

posterior a la entrada de caudal y el cambio de sección se produce una caída

hidráulica que nuevamente baja los valores del calado, debido al cambio de

sección y el ingreso del nuevo caudal se produce una disipación de energía que

se observa claramente en la gráfica. Luego el calado y la energía específica se

mantienen más o menos hasta que se produce un nuevo resalto hidráulico

causado por la condición aguas abajo, del remanso que produce el perfil M1 en el

tramo 3 generando un aumento en la energía específica y el calado de forma

proporcional.

1270 1470 1670 1870 2070 22700.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

ENERGÍA ESPECÍFICA vs DISTANCIA AGUAS ABAJO

Distancia aguas abajo (m)

Ener

gía

Espe

cífic

a (m

ca)

Resalto hidráulico en la zona de entrada de caudal y caída hidráulica posterior.

Figura 30 - Tramo No. 2 Energía específica vs Distancia Aguas Abajo

La energía específica se mantiene relativamente constante hasta unas secciones

antes de producirse la entrada de caudal, donde se produce un resalto hidráulico

que aumenta la energía específica y posterior a esto una caída hidráulica en la

zona del cambio de sección que disminuye un poco los valores de la energía

específica. La energía específica se mantiene constante hasta el momento que se

produce un nuevo resalto hidráulico causado por la condición aguas abajo del

perfil M1, haciendo que los valores de la energía específica aumenten para poder

empalmar las condiciones de contorno.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 450025.0

30.0

35.0

40.0

ENERGIA MECÁNICA POR UNIDAD DE PESO vs DISTANCIA AGUAS ABAJO

Distancia aguas abajo (m)

Ener

gía

mec

ánica

por

uni

dad

de

peso

(m)

Figura 31 - Canal Completo. Energía mecánica por unidad de peso vs Distancia aguas abajo

1270 1470 1670 1870 2070 227025.0

27.0

29.0

31.0

33.0

35.0

37.0

39.0

ENERGIA MECÁNICA POR UNIDAD DE PESO vs DIS-TANCIA AGUAS ABAJO

Distancia aguas abajo (m)Ener

gía

mec

ánic

a po

r un

idad

de

peso

(m)

CAMBIO EN LA ENER-GÍA MECÁNICA EN LA ENTRADA DE CAUDAL

Figura 32 – Tramo 2. Energía mecánica por unidad de peso vs Distancia aguas abajo

En la Figura 3131 se observa que para todo el canal la energía mecánica se

mantiene paralela al fondo del canal. Mientras que específicamente para el tramo

2 en la Figura 32 se observa un leve aumento de la energía mecánica en la zona

que entra el caudal el cual es de esperarse debido a este aumento. Posterior a la

entrada de caudal la energía mecánica vuelve a ser paralela al fondo del canal.

CONCLUSIONES

El régimen uniforme, es difícil de establecer en canales prismáticos pues

son necesarios longitudes muy grandes de tramos de canal.

Las condiciones de contorno, modifican el comportamiento de un canal por

lo cual es preciso definirlas con exactitud.

Es necesario, tener en cuenta los efectos locales del flujo y no se deben

confundir con curvas de remanso o salto hidráulicos, por el incremento de

tirante, que a veces experimentan.

La calidad de una simulación con software, está en función de la calidad de

los datos de entrada y del análisis de los resultados.

APLICACION 2

Modelación de flujo en régimen no permanente en ríos con Hec-Ras

1. Cree un proyecto, importe su geometría, realice los cálculos que debe

seguir el Hidrograma siguiente.

El extremo de aguas abajo coinicde con el mar, se considera una cota de entrega

de 0.70. En condiciones de avenida el río Llobregat entrega al mar en régimen

critico. En una primera aproximación utulice una condicio’n de contorno aguas

debajo de cota 1.90 m.

Nota.

Utilice la opción mixed flow regime

Ajuste el incremento de tiempo, el parámetro m y la tolerancia de cálculo y el

“warm up” para evitar inestabilidades

Considere 12 h como tiempo de simulación

Observe los resultados: perfiles, hidrogramas en las diferentes secciones

transversales, etc.

Tiempo Caudal

(h) (m3/s)

0 200

0.5 960

1 1720

1.5 2480

2 3240

2.5 4000

3 4000

3.5 4000

4 3240

4.5 2480

5 1720

5.5 960

0 1 2 3 4 5 6 70

50010001500200025003000350040004500

Hidrograma Riu Llobregat

Hidrograma Riu Llobregat

1.1. Resultados Simulación

Se realizo, la simulación en Hec-Ras, régimen variable, primero con el espaciamiento entre las secciones de 20, 10, 5, 2.5 metros.

Con respecto al Perfil del Flujo.

Este se ha mantenido, para los tres espaciamientos

Con respecto a los Hidrogramas de entrada y salida

Estos, son los que se han impuesto como condición de contorno, es decir el hidrograma aguas arriba y 1.90 metros en la desembocadura

Con respecto a Errors, Warnings y Notes

The velocity head has changed by more than 0.15 m.

Para tratar de salvar ese aviso, se procedió a disminuir el espaciamiento

entre las secciones. Si bien se han reducido, el número de avisos, debido

al incremento de las secciones transversales, en algunas secciones se han

mantenido, debido a que tienen números de Froude cercanos al crítico, en

otras casos se han mantenido a pesar de ser secciones donde hay flujo

lento o suscritico y esto debe al cambio brusco entre secciones

transversales, como las que se aprecian a continuación.

Con respecto a Divided flow computed for this section

Se han formado islas, lo que podría ocasionar que el flujo no sea

unidimensional, en estas secciones, hay que verificar si el flujo se dividirá

de acuerdo a lo que señala HEC-Ras. El archivo proporcionado cuenta con

motas en diversos puntos, por lo cual se confirma que en estas secciones

se dividirá el flujo de esa manera.

Con respecto a The cross-section end points had to be extended vertically

Indica que las cotas más altas de los márgenes, no son suficientes para

contener todo el caudal que circula, por lo cual Hec-Ras, las extiende, lo

cual sugiere que deberíamos tener una sección transversal, más amplia

del cauce en esa sección, para modelarla adecuadamente, pues el Hec-

Ras, ha incrementado su altura, lo cual no es real.

Con respecto a Multiple critical were found at this location

Este tipo de inestabilidad se produce en modelos computacionales

unidimensionales, lo cual según puedes ser probable por las solución de

las raíces (Robert Traver). De la evaluación se va podía notar que esto se

da alrededor del calado critico, y no tiene que ver con la forma de la

sección transversal, pues aguas arriba y abajo de las zonas donde

tenemos este aviso, la sección del cauce es la misma.

Sección anterior y posterior a multiple critical were found at this location

Sección con multiple critical were found at this location

Con respecto a The energy loss was greater than 0.3 m

Indica que entre las secciones hay una pérdida de energía mayor a 0.15 m.

Para salvar este aviso se procedió a incrementar las secciones transversales

que aumenta el tiempo de simulación, pero algunos avisos se han mantenido

2. Realice para el mismo tramo un cálculo en régimen permanente con 4000

m3/s y la misma condición de contorno. Utilizando la opción Multiple Critical

Depths option. Compare los resultados de máxima cota con los anteriores.

A que atribuiría las diferencias

Línea roja Régimen No permanente, Línea Azul Régimen Permanente

En el gráfico mostrado se aprecia los perfiles comparados de régimen no

permanente y permanente, en el cual se puede apreciar que los calados en

régimen permanente, son siempre superiores a los de régimen no

permanente.

La máxima profundidad hidráulica, encontrada en régimen no permanente

es de 10.52 m y permanente de 11.54 m.

En general, las diferencias están en el orden del 10 %, para otras

secciones.

Las diferencias, se pueden atribuir que en régimen permanente, se resuelve

el Trinomio de Bernoulli, utilizando el método de paso a paso, mientras que

en régimen no permanente se utilizan las ecuaciones gobernantes

unidimensionales de continuidad y cantidad de movimiento, resolviéndolo

mediante matemática numérica, lo que le permite evaluar con mayor

precisión las pérdidas de carga asociadas.

3. En esta última simulación, observe los tramos en régimen rápido. Comparar

los resultados con los obtenidos en régimen variable.

En el gráfico mostrado se aprecia los perfiles comparados de régimen no

permanente y permanente, en el cual se puede apreciar que los calados en

régimen.

Los tramos, en los cuales se presentan régimen rápido en la modelización

en régimen permanente son los que se detalla a continuación:

Tramos con Regimen Rapidode

2763827137


Si bien el régimen permanente llega a captar que se produce régimen

rápido, este lo hace desfasado en el espacio, pues se parecía que e;

régimen rápido se ha producido ya en secciones anteriores.


En régimen permanente, se considera un tramo en régimen rápido, pero

este no se produce en realidad.


Esta zona, no puede modelarse, en régimen permanente, debido a que las

diferencias en los calados es por lo menos 2 m., en régimen no permanente

hay un pequeño tramo en flujo crítico.

Del análisis, de los tramos en flujo rápido, podemos concluir que el

régimen permanente, no puede simular con fiabilidad, tramos con

cambios bruscos de pendiente o de secciones transversales.

4. En régimen variable, intente modificar la condición de contorno aguas abajo

para reproducir de manera más precisa la realidad (el río Llobregat, como

muchos ríos torrenciales, para caudales grandes desemboca en el mar en

régimen crítico).

Para lograr estabilizar la simulación, se incremento en un 2 % los valores

asociados a los tirantes críticos, para confeccionar la curva de gasto de

descarga en tirante critico del rio Llobregat.

Los resultados de la modelización se muestran en los gráficos siguientes:

Línea roja no permanente descarga Calado critico, Línea Azul no Permanente descarga calado=1.90

La simulación de las dos alternativas en régimen variable, presenta en la

mayor parte del perfil una buena coincidencia, salvo en el tramo final.


En la descarga se aprecia que la hay diferencia entre las dos simulaciones,

lo cual era previsible, debió al cambio de condiciones de contorno, se debe

precisar que esta se extiende hasta el km. 11.6 si bien es más evidente en

la descarga del rio Llobregat.


Con respecto a los avisos de Errors Warnings y notes, estos se han

mantenido.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Jerónimo Puertas Agudo, Martí-Sanchéz Juny, Hidráulica

Martí Sánchez, Juny, Ernest Bladé, Jerónimo Puertas. Hidr àulica.

U.S. Army Corps of Engineers. Hydrologic Engineering Center. HEC-RAS River Analysis System, User’s Manual. (2008).

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