Modelación 1d, 2d y 3d de un tramo en curva del canal de laboratorio PAC-UPC

Abstract

El Canal UPC-PAC se encuentra emplazado en el edificio B0 del Campus Nord y se trata de un modelo que reproduce los canales reales de riego. Éste canal fue construido en el año 2003 y desde entonces se han realizado diferentes análisis sobre él dando lugar al desarrollo de varias tesis doctorales relacionadas con los canales de riego, y más concretamente con el desarrollo de algoritmos de control. La forma serpenteante del canal, con el objeto de minimizar el espacio a ocupar, genera curvas sucesivas en las que se generan extrañas sobreelevaciones de la superficie libre. Dicho comportamiento, aún y presentándose un régimen lento de funcionamiento, es claramente observable visualmente y requiere un análisis detallado. Experimentalmente, en el canal, se realizaron 10 experimentos (en adelante casos), combinando caudal, abertura de la compuerta y altura de vertedero, y para cada uno de ellos se tomaron medidas de calado en 9 puntos colocados estratégicamente en el canal. Esta información sirve como base de partida a los cálculos numéricos. El análisis realizado se basa en la utilización de diferentes códigos, Hec-Ras, Iber y Flow-3D, que responden a un análisis 1D, 2D y 3D respectivamente. Cada programa de cálculo ofrece unos resultados diferentes, acordes con las limitaciones del cálculo debido a las simplificaciones de las ecuaciones de gobierno del problema. En cualquier caso, los tres programas aportan información que se analiza de manera conjunta y permite describir el comportamiento del flujo en la zona de curva. Obviamente, el código 3D (Flow-3D) resuelve directamente las ecuaciones de Reynolds y por tanto aporta la información más completa necesaria para dicho análisis de detalle.Existen diversos estudios referentes a modelaciones numéricas en el campo de la ingeniería hidráulica (Computational Fuid Dynamics), en 1D, 2D y 3D, e incluso estudios comparativos entre 1D y 2D, en caso de estudios fluviales por ejemplo, e incluso estudios comparativos 1D y 3D, en los que el análisis 1D permite dar una idea previa sobre el problema y el 3D define con mayor detalle. En cualquier caso no se encuentra ningún estudio comparativo de estas tres técnicas, y es que en principio no están destinadas para que las tres sean las herramientas adecuadas para un mismo caso, pero dicho estudio merece ser tenido en cuenta para comprobar las limitaciones de cada uno de los códigos. Se realiza la calibración de los modelos 1D y 2D mediante los coeficientes de desagüe de compuerta y vertedero; en cambio para el caso 3D la calibración se realiza mediante la rugosidad superficial y el modelo de turbulencia adecuado. Se dispone del coeficiente de Manning calibrado experimentalmente, que asume la totalidad de la disipación de energía, por eso se incluye en los modelos 1D y 2D, pero no es posible utilizarlo para el código 3D que requiere separar la disipación de energía mediante rugosidad y turbulencia. La verificación de los modelos se realiza minimizando el error entre los calados obtenidos en cada modelo para los 9 puntos de medición, coordenadas de los cuales son conocidas. Los resultados finales de modelos aseguran pequeños errores asumibles que permiten garantizar la validez del modelo, sin que con esto se esté diciendo que el modelo es el correcto para este estudio. Como ya se sabía de antemano, los resultados obtenidos mediante el código 3D nos ofrecen mucha información sobre el comportamiento del flujo, permitiendo analizar incluso las zonas de recirculación y remolinos producidos en la vertical. Se presentan también secciones longitudinales en la zona de curva con el mapa de vectores de velocidad, ofreciendo la suficiente información para proporcionar unas conclusiones muy bien fundamentadas. Dichos resultados finales, tras el análisis del flujo, ofrecen la posibilidad de propuestas de mejoras del canal para futuros ensayos y estudios, tanto mejoras en la estructura como en la colocación de la instrumentación (sensores de nivel).