Aplicación de un modelo turbulento bidimensional para la simulación de flujo a superficie libre en un canal horizontal

Abstract

La dinámica de fluidos computacional (DFC) es un enfoque útil para resolver las ecuaciones que describen el movimiento de los fluidos, mediante métodos numéricos y técnicas computacionales. La herramienta OpenFOAM es un software de uso libre que aplica los conceptos de la DFC para solucionar un problema específico. En este trabajo final, se implementó un código escrito en OpenFOAM, seleccionando el modelo de las ecuaciones de Navier-Stokes promediadas en el tiempo (RANS) y el modelo k-ε estándar, para estimar las profundidades de lámina de agua obtenidas en ocho ensayos experimentales de flujo turbulento, realizados en el canal horizontal del Laboratorio de Hidráulica de la Universidad Nacional de Colombia (Bogotá), con obstáculo en el fondo, número de Reynolds superiores a 2.5x104 y números de Froude menores a la unidad aguas arriba de la compuerta del canal. Los resultados experimentales se utilizaron para evaluar el nivel de desempeño del modelo numérico, mediante dos criterios: el coeficiente de eficiencia de Nash- Sutcliffe (NSE) y la relación entre la raíz del error medio cuadrático y la desviación estándar de las observaciones (RSR). En siete ensayos se obtuvieron valores superiores a 0.50 para el coeficiente de NSE e inferiores a 0.70 para la RSR; es decir, un nivel de desempeño del modelo entre satisfactorio y muy bueno. Para el ensayo restante, se obtuvo un desempeño del modelo muy bajo (NSE=0.09 y RSE=0.96).

Abstract. Computational fluid dynamics (CFD) is a useful tool to solve the equations that describe the motion of fluids, using numerical methods and computational approaches. OpenFOAM is an open source software that applies the concepts of CFD to solve a specific problem. In this research, a written code was implemented in OpenFOAM. The Reynolds-averaged Navier-Stokes equations (RANS) and the standard k-ε model was selected to estimate the depth of water surface obtained in eight experimental turbulent flow trials, performed in the horizontal channel in the Hydraulic’s Laboratory of the Universidad Nacional of Colombia (Bogota), with an obstacle at bottom, Reynolds numbers above 2.5x104 and Froude numbers below 1.0 upstream of the gate channel. The experimental results were used to evaluate the performance of the numerical model, using two criteria: the coefficient of Nash Sutcliffe efficiency (NSE) and the ratio of the root mean square error and the standard deviation of the observations (RSR). NSE coefficient values above 0.5 were achieved for seven experimental trials, representing a well model performance. For the remaining trial, a very low performance model (NSE = 0.09 and CSR = 0.96) was obtained.