Evaluación hidrodinámica de aliviaderos de cañuela elevada en régimen supercrítico mediante simulación CFD

Abstract

En esta tesis se presenta el análisis del flujo sobre aliviaderos de cañuela elevada en régimen supercrítico. La investigación se realizó en dos etapas, donde se implementó el software comercial ANSYS – Fluent, datos experimentales e información recopilada de este tipo de estructuras hidráulicas localizadas en el Valle de Aburrá (Antioquia, Colombia). En la primera etapa se realizó la calibración y validación numérica de un aliviadero de cañuela elevada, de sección circular prismática, con datos experimentales disponibles. Los efectos de la turbulencia y las variaciones de la superficie libre se simularon utilizando el modelo de turbulencia k-ε Realizable y Volumen de fluido (VOF), respectivamente. Se utilizó el solucionador Coupled con el método Pseudo-Transient, los cuales resuelven flujos en estado estacionario y aceleran la convergencia de la solución. Las simulaciones muestran que el modelo numérico predice las mediciones experimentales con buena precisión, con errores relativos de 3.65% y 3.12% para los caudales y menores al 6.6% para el perfil de flujo. Los resultados obtenidos se compararon con las metodologías de diseño propuestas en la normatividad local vigente. En la segunda etapa, de predicción, se simularon varios escenarios en aliviaderos de cañuela elevada existentes, de sección transversal rectangular y circular no prismática, y se propusieron modelos matemáticos para aplicación en la ingeniería práctica, obteniendo errores de estimación del caudal vertido y del perfil de flujo del orden del 10% y 2%, respectivamente. Se concluye que la metodología CFD es altamente recomendada para analizar y predecir la hidrodinámica del flujo en estas estructuras. (Texto tomado de la fuente)

In this thesis, the analysis of overflow over Sewer Two-sided Sideweirs in supercritical regime is presented. The research was carried out in two stages, where the commercial software ANSYS - Fluent, experimental data and information collected from this type hydraulic structures located in the Valle de Aburrá (Antioquia, Colombia) were implemented. In the first stage, the calibration and numerical validation of a Sewer Two-sided Sideweirs, with a prismatic circular Cross-Section was carried out with available experimental data. The effects of turbulence and free surface variations were simulated using the k-ε Realizable turbulence model and Volume of fluid (VOF), respectively. The Coupled solver was used with the Pseudo-Transient method, which resolve flows in steady state and accelerate the solution convergence. Simulations show that the numerical model predicts the experimental measurements with a high accuracy, with relative errors of 3.65% and 3.12% for flow rates and less than 6.6% for flow profile. The results obtained were compared with the design methodologies proposed in the current local regulations. In the second stage, prediction, several scenarios were simulated in existing Sewer Two-sided Sideweirs, with a Non-prismatic rectangular and circular Cross-section, and mathematical models were proposed for application in practical engineering, obtaining estimation errors of the discharged flow and flow profile of the order of 10% and 2%, respectively. It is concluded that the CFD methodology is highly recommended to analyze and predict the hydrodynamics of flow in these structures