Estudio computacional de la hidrodinámica y del sistema de aireación en descargas de fondo con una compuerta de alta presión

Abstract

Este documento presenta el análisis realizado al desempeño de una compuerta radial, sometida a condiciones reales de alta presión, en la descarga de fondo de una presa de gran altura. El enfoque del estudio estuvo dirigido a entender el comportamiento hidrodinámico alrededor de la estructura para aperturas totales y parciales de la compuerta radial, con el propósito de comprender el efecto que tiene la demanda de aire y el sistema de aireación diseñado, sobre las sub-presiones generadas en la estructura. Aunque el desarrollo de proyectos hidroeléctricos en Colombia es amplio, algunos incidentes se han producido en relación con las demandas de aire esperadas y reales en las compuertas radiales en las descargas de fondo de presas de gran altura, trayendo como consecuencia afectaciones relevantes sobre el medio ambiente. Para la consecución del objetivo general planteado se utilizó el software comercial de CFD (ANSYS Fluent) a través del cual se obtuvieron los campos de presión, velocidad y demás variables hidrodinámicas de interés para los casos analizados. Adicionalmente se implementó el método volumen de fluido (VOF, por sus siglas en inglés) para resolver la interfaz agua-aire y para realizar la simulación del sistema de aireación. Los resultados obtenidos fueron comparados en algunos casos con cálculos analíticos y fueron contrastados con los resultados de un modelo físico en escala 1:50 escalado con la ley de similitud de Froude. Es válido aclarar que por la escala del modelo físico los resultados de aireación obtenidos fueron comparados de forma cualitativa, y por consiguiente los resultados de la simulación fueron considerados como resultados satisfactorios. Adicionalmente se propuso una metodología para la distribución del sistema de aireación en compuertas radiales de alta presión en descargas de fondo en presas de gran altura.

Abstract: This document presents the analysis carried out on the performance of a radial gate, subject to real conditions of high pressure, at the bottom outlet of a large dam. The focus of the research was to understand the hydrodynamic behavior around the structure, for partial and total openings of the gate, with the aim of understanding the effects of air demand, and the aeration system designed for negative pressure generated in the structure. Although the development of hydroelectric projects in Colombia is large, some malfunctioning has been observed due to the actual versus expected air demand in the radial gate at the bottom outlet of large dam, consequently resulting in significant damage to the environment. Numerical simulations were performed in ANSYS-FLUENT to obtain velocity and pressure fields, and other hydrodynamic quantities of interest for the analyzed cases. Additionally, the VOF method was used to calculate the free surface flow and estimate the air demand through the aeration system. Results are compared with analytical solutions and the qualitative information available from a 1:50 scale physical model. The qualitative comparison shows a reasonable agreement. Finally, a novel methodology is proposed to calculate the air distribution, as part of the design of aeration system in high head pressure radial gates.