Simulacion CFD Presa

8/18/2019 Simulacion CFD Presa

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COMPARACIÓN DE MODELO FÍSICO Y NUMÉRICODE AIREADORES DE ALIVIADERO EN TUNEL

Martín Hidalgo, Dante Bragoni

Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de CuyoGral. Gutiérrez nº 789 PB nº 7, Mendoza, Argentina -Teléfono 0261-155726056 - [email protected]

Palabras claves: aireadores, aliviadero, cavitación, simulación numérica.

RESUMEN

El objetivo de este trabajo es comparar los resultados de ensayos realizados en modelo físicoseccional de uno de los aireadores del aliviadero de la Presa Los Caracoles con ensayos realizadosmediante dinámica de fluidos computacional. La metodología seguida consistió en representar lageometría del modelo físico en forma tridimensional mediante el uso de software de dibujo. La

geometría luego sirve de base para aplicar las condiciones de borde y resolver mediante técnicas defluido dinámica computacional el problema físico en estudio.El campo de presiones y velocidades fue resuelto mediante resolución de las ecuaciones de Navier-Stokes: ecuaciones de conservación de masa y cantidad de movimiento. Ecuaciones resueltasmediante el método de los volúmenes finitos, aplicando el modelo k-ε para el término deconvección turbulenta.En particular el fenómeno estudiado es la incorporación de aire al flujo mediante aireadoresintroducidos a lo largo de la rápida del aliviadero.Los resultados de los caudales de aire y agua simulados en forma computacional fueron comparadoscon los obtenidos en el ensayo físico realizado en el Instituto de Investigaciones Hidráulicas de laUNSJ. Es de relevancia la similitud entre los valores de caudales de aire y de agua obtenidosmediante ambos métodos.Esta comparación permitió verificar la semejanza entre los valores obtenidos en el modelo físico yla simulación numérica, con lo cual se puede observar cómo se puede arribar a una predicciónaceptable del comportamiento de obras hidráulicas mediante el uso de modelos numéricosconsiderando que se trata de simulaciones preliminares.


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INTRODUCCIÓN

Las presas y embalses que regulan un río dado se encuentran sometidas a las condiciones dela naturaleza respecto a las crecidas del mismo; por tanto deben ser protegidas mediante diversosórganos de control que permitan evacuar los caudales extraordinarios que pudieren circular por talesestructuras. Para ello en una presa o embalse se cuenta con obras hidráulicas específicas como loson los aliviaderos o vertedores de demasías.

El propósito básico de un aliviadero en una obra hidráulica es proporcionar un medio para laevacuación de los caudales extraordinarios que se originan en el embalse y tienen lugar cuando elnivel de las aguas sobrepasa el nivel de aguas máximas ordinario.

En presas de gran altura este elemento era una limitación para la altura de las mismas debidoa los daños por cavitación que aparecían en las rápidas debidos a las grandes velocidades del agua ylas irregularidades superficiales propias de las estructuras. Para evitar tales daños se utilizan

dispositivos aireadores que separan el flujo del contorno sólido creando una cavidad con presionesligeramente negativas, que junto con la turbulencia incorporan aire al flujo en las cercanías delfondo de la rápida del aliviadero.

El objetivo principal de este trabajo es analizar y validar un modelo numérico que representeel fenómeno de incorporación de aire en una rápida mediante aireadores para los cuales existendatos experimentales. Los datos experimentales pertenecen al modelo físico de la Presa Caracolesque realizó el Instituto de Investigaciones Hidráulicas de la UNSJ.

CONCEPTOS BÁSICOS

Cavitación

La cavitación es un proceso que normalmente se asocia con daños a la superficie y por elruido intenso que se produce durante el desarrollo del mismo en el paso de un flujo de granvelocidad sobre una superficie.

La definición de cavitación nos indica que es el proceso de pasar de líquido a vapor debido auna reducción en la presión local mientras se mantiene la temperatura constante.

En una obra hidráulica como una rápida de un aliviadero la cavitación ocurre cuando lapresión absoluta en el interior del fluido se reduce a valores inferiores a la presión de vapor dellíquido. Debido a esto se forman pequeñas cavidades de vapor dentro del fluido que cuando sonarrastradas hasta zonas de alta presión en el fluido colapsan. Este colapso ocurre en un tiempo muypequeño y se traduce en golpes de presión de alta intensidad y frecuencia cerca de las paredes yfondo de canal. La alternancia de las tensiones que causa en las superficies la cavitación traeaparejado daños por erosión.

El proceso de formación de las burbujas de vapor es casi instantáneo, y por lo tanto a pesarde que la presión media en el flujo puede estar por encima de la presión de vapor local, las

fluctuaciones turbulentas o las perturbaciones debidas a cualquier rugosidad local puede provocarcavitación.


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La reducción local de la presión asociada con la cavitación generalmente se debe airregularidades u obstáculos en la superficie.

Fig. nº 1: Colapso burbuja cercana a la superficie (USBR, 1990)

Los parámetros hidráulicos de mayor relevancia son la velocidad del flujo U, la presiónatmosférica pa , la presión p, la amplitud de las fluctuaciones en la presión y la presión de vapor delfluido pv.

Las causas más comunes de cavitación en estructuras hidráulicas son las irregularidades enlas superficies en contacto con el flujo.

Índice de cavitación

El índice de cavitación es una medida adimensional que caracteriza la susceptibilidad de unsistema de presentar cavitación.

Los efectos del colapso de la burbuja de vapor son proporcionales a la velocidad media yesto lleva a un parámetro de cavitación de la forma

Ec nº 1

En una rápida con curvatura vertical el potencial de cavitación de se evalúa mediante el“Índice de cavitación “σ” de manera que:

Ec nº2

Donde:• es el índice de cavitación en la sección considerada• σi es el índice de cavitación crítico, adoptado en 0.25• Pa/ γ es la altura de columna de agua correspondiente a la presión atmosférica,

considerada en 10 m• Pv/ γ es la altura de columna de agua correspondiente a la presión de vapor,

considerada en 0,3 m


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• h es el tirante del escurrimiento considerado siempre normal al fondo• θ es el ángulo de inclinación del tramo de rápida considerada respecto de la horizontal• U es la velocidad media del escurrimiento, representativa de toda la sección transversal

de escurrimiento

• r es el radio de curvatura de la solera

La disminución en el índice de cavitación σ aumenta la tendencia de daños debidos acavitación.

El valor del índice de cavitación σ debe ser comparado con un valor crítico σi. Si el sistemaopera con un índice de cavitación σ superior a dicho valor crítico el sistema no presenta daños porcavitación. Por lo tanto los diseños deben asegurar que en condiciones de operación el índice decavitación sea superior al valor crítico σi.

En rápidas cuyas terminaciones superficiales sean de buena calidad valor crítico del índicede cavitación es aproximadamente 0.25. Este valor implica que la cavitación puede ocurrir convelocidades del flujo superiores a 30 m/s sobre las superficies. Esta velocidad se corresponde caídassuperiores a los 45 m.

Aireadores en Rápida

Mediante ensayos de laboratorio y pruebas de campo se ha demostrado que lasirregularidades en las terminaciones superficiales del hormigón no causan daños por cavitación si la

concentración de aire cercana a la superficie en contacto con el flujo es del orden del 6 al 8 %.[Peterka]

Fig. nº2: Concentración de aire vs pérdida de peso de concreto en probetas (Peterka. 1953)


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El movimiento de las burbujas de aire implica dos principios:

a) las burbujas en el agua se mueven en dirección hacia donde la presión del agua disminuye

y b) la turbulencia dispersa las burbujas desde una región de alta concentración de aire hacia unaregión de baja concentración.

Debe prestarse atención al movimiento de las burbujas debido al gradiente de presión. En unflujo de agua rodeado de presión atmosférica (free jet) no hay gradientes de presión, exceptoposiblemente zonas locales débiles generadas por la turbulencia residual y las burbujas se muevencon el flujo. No hay fuerza de empuje (flotabilidad)

DESCRIPCIÓN DEL ALIVIADERO

El aliviadero bajo estudio pertenece a la Presa “Los Caracoles”, ubicada sobre un sector delrío San Juan en la Provincia de San Juan, Argentina. La presa tiene una altura cercana a los 140 m ysobre su margen izquierda se encuentra emplazado el órgano de alivio compuesto de dos túneles dedescarga que culminan en un salto de esquí.

La estructura de alivio consta de un perfil vertedor cuya cresta está en la cota 1093.0 msnmcontrolado por compuertas de sector circular, cuya corte longitudinal puede verse en la figura nº 3.

Fig. nº 3: Corte Longitudinal Aliviadero Presa Caracoles

ENSAYO EN MODELO FÍSICO

El modelo físico ensayado en la UNSJ es un modelo seccional del Aliviadero de la Presa“Los Caracoles” en escala 1:20 que abarca desde la embocadura del aliviadero unos metros antesdel vertedero hasta la terminación de la estructura materializada por un salto de esquí.

En este modelo seccional se representó el caudal total dado por la escala de caudales,correspondiente a la sección representada, con lo cual, definida la escala de longitudes, otro factorimportante es la sección. En este caso, se ha representado un cuarto del ancho de uno de los túneles.


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Se estudió la hidrodinámica del escurrimiento del flujo agua - aire en el aliviadero, túnel y

estructura terminal y se ensayaron alternativas de ubicación y geometría de aireadores en la rápida.En particular en este trabajo se toman los datos correspondientes a la geometría final de los

aireadores, los cuales son del tipo escalón-rampa.

El trabajo, informa resultados de medición de parámetros relativos al fenómeno deincorporación de aire en el aireador Nº 2 del Aliviadero “Los Caracoles” para distintas condicionesde operación de las compuertas, a partir de las cuales se establece una ecuación adimensional, conla que es posible calcular la demanda de aire.

Según (Gutiérrez Porta G. et al; 2010) el caudal de aire incorporado se determinó midiendola velocidad del aire con un anemómetro de hilo caliente, de precisión del 1% de la lectura. Laslecturas se realizaron en una sección estable de control por donde ingresa la totalidad del aire queincorpora el modelo. Es decir que los valores de caudal de aire se corresponden al producto de la

velocidad media de la sección por el área transversal del conducto (torre lateral) por donde ingresael aire a la cavidad del aireador.

MODELO NUMÉRICO

El modelo numérico presentado en este trabajo, se basa en la resolución de las ecuaciones deNavier-Stokes: ecuaciones de conservación de masa y cantidad de movimiento. Ecuacionesresueltas mediante el método de los volúmenes finitos, aplicando el modelo k-ε para el término deconvección turbulenta.

La geometría utilizada se corresponde al modelo físico en una escala 1:1 , es decir que elmodelo numérico representa las dimensiones del prototipo en escala 1:20. La idea de representar elmodelo físico y no el prototipo se fundamenta en que se pueden comparar directamente los valoresde ambos modelos y de esta manera determinar el grado de ajuste entre ambos. Si bien el modelopresenta simetría longitudinal por tratarse de la representación de un modelo físico seccional no seutilizó dicha simplificación. En cambio si se represento la geometría en 3D del modelo físicoseccional.

El único cambio respecto de la geometría del modelo físico seccional consiste en la

eliminación del salto del esquí al final de la rápida. En su lugar se prolongó el canal con igualpendiente y sección en una longitud similar a la distancia entre vanos. Esta simplificación se justifica en reducir el número de nodos de cálculo del modelo, ya que el objetivo es estudiar elfuncionamiento de los aireadores.


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Fig nº 4: Vista Lateral Simulación Apertura Compuerta 3 m

Fig nº 5: Detalle flujo en Aireadores Simulación Apertura Compuerta 3 m


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Fig nº 6: Modelo físico aliviadero Caracoles

Se realizaron dos simulaciones numéricas correspondientes a las aperturas de 3 y 5 m decompuerta respectivamente. En ambos casos se utilizó el modelo multifásico en 3D del softwarecomercial ANSYS-CFX v13. Para la turbulencia se hizo uso del modelo k-ε, este modelo k-ε estándar es un modelo semi-empírico basado en las ecuaciones de transporte para la energía cinéticade turbulencia k y su tasa de disipación de energía turbulenta ε.


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Fig nº 7: Vista Lateral Simulación Apertura Compuerta 5 m

Fig nº 8: Líneas de corriente de aire en conducto izquierdo del Aireador nº2Apertura Compuerta 3 m

VERIFICACIÓN METODOLOGÍA

Con el fin de verificar la metodología utilizada se comparó los resultados de los ensayos delmodelo físico seccional con los resultados arrojados en las simulaciones del modelo numérico. Losdatos de caudal de aire (Qa) y de caudal de agua (Qw) en el Aireador nº2 se reflejan en la tabla nº1.


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Tabla nº 1 Comparación Modelo Físico vs Modelo Numérico en Aireador nº2

Como puede verse en la tabla nº1 los resultados de los parámetros físicos comparadosconservan cierta similitud entre ambos modelos, considerando que se ha realizado un abordajepreliminar. Para comparar con mayor certeza se ha desarrollado en la tabla nº2 el porcentaje deerror entre ambos modelos

Tabla nº 2 Porcentaje de Error entre Modelo Físico y Modelo Numérico

Ap Qa Qwm error % error %

3 -25.36 -4.995 -2.87 -5.91

Haciendo un análisis de los resultados de error comparados vemos que los valores de Qw

son en los dos casos inferiores al 6%, en cambio hay diferencias en los valores de Qa, que llega al25% en caso del modelo de apertura 3 m, no siendo así para el caso de una apertura de 5m. Seestima que dicho error puede deberse a que la malla de cálculo utilizada para reducir el costocomputacional sea de una magnitud que no sea la adecuada para dicho modelo. Cabe considerar quela precisión de una solución convergente de un modelo numérico depende de la utilización yprecisión de los modelos físicos adecuados (turbulencia, multifase, etc), el tipo de malla y tamañode sus elementos y los errores numéricos durante su resolución. Una primera instancia de solucióna dicha diferencia corresponde a una densificación de la malla, luego se podría analizar el tipo deelemento utilizado.

CONCLUSIONES

La conclusión de mayor importancia es que se pudo simular el comportamiento de losaireadores de la rápida de la presa bajo similares condiciones que las del ensayo en modelo físico.De esta manera se puede comprobar que ante nuevos diseños la técnica de CFD es una herramientacapaz de predecir el funcionamiento de los flujos bifásicos compuestos de agua y aire.

Respecto a la comparación numérica de los resultados se pudo observar una buenacorrespondencia entre valores de modelo físico y numérico para Qw. No obstante los valores de Qapresentaron una diferencia notable en uno de los casos y una diferencia mínima en el otro, por loque se cree que la diferencia mayor puede deberse a un error en la simulación en particular, dadoque sólo se utilizó sólo un tipo de malla por modelo.

Modelo Físico Modelo CFDAp Qa Qw Qa Qwm m3/s m3/s m3/s m3/s3 0.0152 0.0515 0.01905 0.0545 0.0142 0.0788 0.01461 0.083


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BIBLIOGRAFÍA

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