Simulación numérica de saltos hidráulicos. Parte 1: Datos experimentales para modelar la evaluación del desempeño Resumen: Los saltos hidráulicos han sido objeto de una extensa investigación experimental, proporcionando a la comunidad numérica un estudio completo de casos para la evaluación del rendimiento de los modelos. Este estudio constituye una revisión de la historia de agotaje inagotable en los conjuntos de datos experimentales de los saltos hidráulicos. Ambos parámetros, turbulentos y significativos, que caracterizan los saltos hidráulicos, se analizan exhaustivamente y presentan al menos una referencia a un conjunto de datos. Tres estudios se destacan sobre otros conjuntos de datos debido a su integridad. El uso de la referencia de masa para la validación del modelo puede garantizar una evaluación de rendimiento homogénea y comparable para los próximos modelos numéricos. Las inexactitudes experimentales también se abordan, lo que permite al modelador numérico comprender las incertidumbres de los modelos físicos reducidos y sus limitaciones. La Parte 2 presenta las investigaciones numéricas tridimensionales hasta la fecha y sus principales logros. Palabras clave: flujo bifásico, salto hidráulico, dinámica de fluidos computacional, flujos turbulentos de superficie libre, métodos experimentales. 1. Introducción Los saltos hidráulicos se han estudiado en gran medida debido a su relevancia en aplicaciones de ingeniería hidráulica [1–3]. Cuando se produce un salto hidráulico, los flujos supercríticos de alta velocidad (a menudo aireados) disminuyen abruptamente y conducen a un flujo subcrítico, lo que beneficia la estabilidad estructural y las condiciones hidráulicas seguras para los entornos fluviales. Este flujo rápidamente variado tiene una relevancia considerable también en la hidráulica ambiental, así como en las altas tasas de oxigenación por ultrasonido y en la hidrohidráulica, donde aparecen caminos hiporreicos sin precedentes en los caudales de los ríos debido a las presiones dinámicas que se producen [4,5]. Por lo tanto, el salto hidráulico es un fenómeno en constante investigación. Ciertamente, la disipación de energía es su característica más distintiva en aplicaciones de ingeniería hidráulica. La disipación de energía es uno de los aspectos clave de la ingeniería hidráulica, ya sea un fenómeno continuo de flujo continuo o repentino. Cuando se espera que grandes cantidades de energía cinética fluyan sobre las estructuras hidráulicas, un disipador de energía debe estar convenientemente diseñado para disipar de manera segura el exceso de energía. Cabe señalar que el exceso de energía durante eventos extremos puede superar muchas veces la energía producida en una central nuclear [6]. Por lo tanto, el papel de la cuenca de inmovilización se vuelve crítico y se debe asegurar tanto su desempeño hidráulico como estructural. El caso canónico del disipador de energía es el salto hidráulico (Figura 1), cuya descripción se remonta a Leonardo Da Vinci [2]. Con los estudios de Bidone en 1820 [7,8] y Bélanger en 1828 [9,10] y 1841 [10,11], se emprendieron los primeros pasos experimentales y analíticos. Los estudios más relevantes se construyeron sobre la base sólida establecida por el estudio experimental de Bakhmeteff y Matzke [12], las primeras estimaciones de turbulencia en saltos hidráulicos de Rouse et al. [13], la analogía del chorro de pared de Rajaratnam [14] y el estudio de la estructura de turbulencia de Resch y Leutheusser [15]. Las características turbulentas más detalladas del flujo de aire-agua de los saltos hidráulicos comenzaron a informarse sistemáticamente después de ChansonandBrattberg [16] y se puede encontrar un compendio hasta la fecha de escalas hidráulicas en saltos hidráulicos en Wang y Murzyn [17]. También se han realizado investigaciones sobre saltos hidráulicos no convencionales desde el estudio de Warnock [18], que cubre saltos hidráulicos sobre superficies rugosas [19–21] hasta saltos hidráulicos sobre bloques y soleras dispuestas metodológicamente. Los diseños complejos estandarizados se hicieron populares después de las directrices de la Oficina de Recuperación de los Estados Unidos (USBR) de Peterka [22] —su primera edición se lanzó en 1958— y la cuenca de Saint Anthony Falls (SAF) de Blaisdell [23]. Una revisión de los diferentes tipos de cuencas se puede encontrar en Hager [2]. Sin embargo, la investigación no ha sido tan fructífera y el conocimiento sobre este tipo de cuencas es bastante limitado en comparación con la contraparte de salto hidráulico canónico (¡a pesar de su obvio interés práctico!). Como se presentó anteriormente, la mayoría de los avances se han logrado mediante una amplia observación experimental y algunos análisis teóricos limitados. Hoy en día, los saltos hidráulicos todavía representan uno de los campos de investigación más activos dentro de la comunidad de ingeniería hidráulica de los flujos de aire-agua. Con el surgimiento de una potencia informática rentable dada por el desarrollo de técnicas y hardware de computación de alto rendimiento, se han revelado algunos estudios. A pesar de algunos resultados relevantes, el rigor del objeto de disputa y algunas controversias ha sido planteado por algunos autores en relación con la verificación y validación correcta [24,25]. La aparente falta de pautas de modelado numérico bien aceptadas puede contribuir a este problema, lo que resulta en nuevos estudios que a veces carecen de procedimientos sólidos, lo que pone sus resultados continuamente en disputa. En la Parte 1 de este estudio, las características más relevantes del salto hidráulico clásico se analizan en la Sección 2, presentando brevemente los principios básicos y brindando una idea de la estructura del flujo. La sección 3 presenta una breve discusión sobre la relevancia de este tipo de flujo, que representa un flujo desafiante en la mecánica de los fluidos ambientales, mientras que converge un nivel maduro de investigación experimental. La Sección 4 presenta diferentes instrumentaciones comunes y nuevas de flujos de aire-agua y las incertidumbres y limitaciones asociadas. Las conclusiones se presentan finalmente en la Sección 5. La Parte 1 de este estudio tiene como objetivo proporcionar al modelador numérico, si no está familiarizado con las metodologías experimentales, una visión profunda de los conjuntos de datos experimentales disponibles y sus limitaciones. El lector se dirige a la Parte 2 [26] para obtener una descripción general de las técnicas de modelado numérico tridimensional y los logros actuales en el modelado numérico de salto hidráulico.
