Introducción a los Modelos Hidráulicos

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Factores Fisiográficos e HidrológicosFactores Fisiográficos e Hidrológicos

para la Ordenación de Cuencaspara la Ordenación de Cuencas

DIFERENCIAS ENTRE LOS MODELOS HIDROLÓGICOS E HIDRÁULICOS

DIFERENCIAS ENTRE LOS MODELOS

HIDROLÓGICOS E HIDRÁULICOSModelos Hidrólogicos:

Están enfocados a la obtención de caudales a partir de precipitaciones

Suelen utilizar modelos topográficos de poca precisión Normalmente utilizan métodos de transporte por

cauce simplificados (Muskingum, Onda cinemática, etc.)

Modelos Hidráulicos: Están enfocados a la obtención de niveles y

velocidades del agua en los cauces y en las llanuras de inundación

Utilizan cartografías de precisión Se basan en cálculos hidráulicos complejos

Modelos Hidrológico-Hidráulicos: Utilizan conceptos de ambos tipos de modelos

TIPOS DE MODELOS HIDRÁULICOS

TIPOS DE MODELOS HIDRÁULICOS

Tipología del modelo

Modelos físicos Modelos matemáticos

TIPOS DE MODELOS HIDRÁULICOS

Los Modelos Matemáticos se pueden clasificar desde distintos puntos de vista:

En función del enfoque físico del problema Eulerianos Lagrangianos

Del número de dimensiones con que se trabaja Unidimensionales Bidimensionales Tridimensionales

De la variación temporal o no del problema Modelos de régimen permanente: el caudal y las condiciones de

contorno permanecen constantes a lo largo del tiempo Modelos de régimen variable. tanto el caudal como las

condiciones de contorno pueden variar a lo largo del tiempo

Del método matemático de resolución de las ecuaciones Diferencias finitas Elementos finitos Volúmenes finitos Lagrangianos (SPH)

TIPOS DE MODELOS HIDRÁULICOS

En función del enfoque físico del problemaModelos Eulerianos: el cálculo se realiza discretizando la masa del fluido en elementos (por ejemplo el tramo de cauce que se encuentra entre dos secciones transversales), en función de las fuerzas interiores y exteriores que se aplican al elemento se obtiene las variables hidráulicas representativas del elemento en cada momento

TIPOS DE MODELOS HIDRÁULICOS

En función del enfoque físico del problemaModelo Lagrangianos: se descompone el fluido en partículas y se asocia a cada partícula unas coordenadas ξi, el movimiento del fluido estará definido si en todo momento se conoce la posición ocupada por cada partícula material

TIPOS DE MODELOS HIDRÁULICOS

En función del número de dimensiones con que se trabaja

Modelo de orden 1

TIPOS DE MODELOS HIDRÁULICOS

En función del número de dimensiones con que se trabaja

Modelo de orden 2 (X-Y)

TIPOS DE MODELOS HIDRÁULICOS

En función del número de dimensiones con que se trabaja

Modelo de orden 2 (X-Z)

TIPOS DE MODELOS HIDRÁULICOS

En función del número de dimensiones con que se trabaja

Modelo de orden 3 (X-Y-Z)

CAMPO DE APLICACIÓN DE LOS MODELOS HIDRÁULICOS

Campos de aplicación de los modelos hidráulicos

Hasta hace muy pocas fechas, se puede decir que únicamente se habían desarrollado modelos de tipo Euleriano.

Los modelos Lagrangianos necesitan de un alto coste computacional, resumiendo, los ordenadores no eran lo suficientemente potentes para resolver los modelos más sencillos que se podían plantear. Con el avance computacional, este problema se ha minimizado, auque persisten las limitaciones.

Los modelos de tipo Lagrangiano debido a esta limitación se circunscriben de momento a ámbitos de aplicación muy locales (cálculo de aliviaderos de presas, erosión en pilas de puente, entronques de geometrías complejas, etc.).

Los modelos de tipo Lagrangiano empiezan a competir con los modelos físicos

Campos de aplicación de los modelos hidráulicos

Modelos Unidimensionales Los modelos de una dimensión, modelos 1D, (la sección de

calculo varía a lo largo del eje X), se utilizan en aquellos casos en que se puedan considerar que el agua fluye en la sección en la misma dirección en todos los puntos. Es una simplificación que se puede utilizar, sin cometer errores apreciables, en canales, o ríos confinados a secciones en U o en V o entre motas

Tampoco resultan adecuados si se necesita conocer la velocidad en cada punto de la zona inundable (por ejemplo para realizar los planos de riesgos), ya que la interpolación de la velocidad carece de cualquier tipo de precisión, frente a la interpolación del nivel que, en algunos casos puede resultar admisible.

Modelos Bidimensionales En ríos que discurren además de por el cauce principal por

llanuras de inundación, o en los que las motas se ven sobrepasadas por el agua no se debe admitir la simplificación resultante de considerar el nivel del agua horizontal en la sección y la velocidad en la misma dirección en todos los puntos de la sección, en estos casos se debería aplicar siempre modelos 2D XY

Modelos tridimensionales Se utilizan únicamente para estudios de detalle

Campos de aplicación de los modelos hidráulicos

Campos de aplicación de los modelos hidráulicos

Campos de aplicación de los modelos hidráulicos

Desde el punto de vista de la variación temporal

Los modelos de régimen permanente se circunscriben a aquellos casos en que la variación temporal del caudal no tiene importancia en el cálculo, por ejemplo en el dimensionamiento de un encauzamiento para un determinado caudal de diseño.

Los de régimen variable se aplican en aquellos casos en que los fenómenos de laminación de los hidrogramas al circular por el cauce no pueden ser despreciados, un caso muy significativo de esta situación puede ser el estudio de la zona inundable producido por la rotura de una presa.

Campos de aplicación de los modelos hidráulicos

En cuanto al método matemático de resolución de las ecuaciones de la hidráulica, únicamente apuntar que:

Los modelos de diferencias finitas y elementos finitos no resuelven bien los cambios de régimen (en especial el paso de rápido a lento) y presentan mayores problemas de convergencia que los modelos de volúmenes finitos.

Los modelos de diferencias finitas y elementos finitos, tienen unos tiempos de cálculo superiores a los de volúmenes finitos.

Tanto los modelos 1D, como 2D no representan la interfase aire agua, por lo que no sirven para calcular aquellos casos en que se despega la lámina de agua del terreno, siendo necesario en este caso un modelo tipo SPH.

LIMITACIONES DE LOS MODELOS HIDRÁULICOS BIDIMENSIONALES

LIMITACIONES DE LOS MODELOS HIDRÁULICOS BIDIMENSIONALES

Limitaciones computacionales Tamaño del escenario; 1 Km2 = 1,000,000 de celdas de

1x1 metro Tamaño de la celda empleada para la modelización; no

se puede representar un río de 50 metros de ancho con celdas de 100x100 metro

Velocidad del agua; afecta a los criterios de convergencia del modelo (Condición de Courant)

Capacidad de proceso de la máquina de cálculo Tiempo de cálculo

Limitaciones matemáticas No simulan fluidos no newtonianos No contemplan la iterfase Aire-Agua por lo que no

calculan el despegue de la lámina de agua del terreno (por ejemplo vertederos de presas)

MUCHAS GRACIAS