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Modelo de flujo bidimensional
en ríos y estuarios
BASES CONCEPTUALES HIDRÁULICAS
EJEMPLOS
El modelo Iber
Introducción
CARPA
Turbillon
GiD
El modelo Iber
Introducción
Módulos de cálculo
HIDRODINÁMICA
Velocidad
Calado
TRANSPORTE DE SEDIMENTOS
TURBULENCIA
Carga en suspensión
Viscosidad turbulenta
Carga de fondo
Energía turbulenta y disipación
El modelo Iber
Introducción
• Modelación numérica en ríos: herramienta para el estudio de
calados y velocidades para la resolución de problemas de
ingeniería y dinámica fluvial (ríos y estuarios):
–
–
–
–
–
Delimitación de zonas inundables
Diseño de encauzamientos y obras de protección
Restauración de ríos
Planes de emergencia en roturas de presa
Optimización del funcionamiento de obras hidráulicas
El modelo Iber
Introducción
1D
Cuasi-2D
Tramos largos de
ríos
Ríos con desbordamientos
localizados
Canales
2D
3D
Estuarios
Flujo local
Tramos cortos de ríos
Vertederos
Llanuras de inundación
Pilas de puentes
Flujo fuera de cauces
Obras hidráulicas
+ ECONÓMICO
+ SIMLIFICADO
RS = 28951.6
.028
60
Legend
58
EG 01JAN2000 0733
Elevation (m)
56
WS 01JAN2000 0733
54
Ground
52
Bank Sta
50
48
46
44
42
-60
-40
-20
0
20
Station (m)
40
60
80
+ COSTE
+ PRECISIÓN (en general)
El modelo Iber
Introducción
1D
19062.6
18972.3
18898.5*
18805.7
18710.7
18617.8
18508.7*
18431.1*
18324.4
18229.2*
18127.9
18001.2
17870.6
17764.1*
17671.8*
17591.5*
17496.8
17398.1
RS = 28951.6
.028
60
Leg
58
EG 01JAN
56
Elevation (m)
19667.4
19628.2*
19550.0
19509.4*
19428.2
19364.6
19254.1*
19160.8
WS 01JAN
54
Gro
52
Bank
50
48
46
44
42
-60
-40
-20
0
20
40
60
Station (m)
•Movimiento en la dirección del eje
•Nivel constante en una sección
•Velocidad uniforme
80
El modelo Iber
Introducción
Introducción
2D
• En cada punto:
calado, Vx, Vy
• Salto cualitativo en: información geométrica
tiempo de cálculo
El modelo Iber
Introducción
2D
Río Júcar 1982
Terrassa 1971
Riera de Les Arenes
1962
Llobregat 1982
El modelo Iber
Ecuaciones Hidrodinámicas
Ecuaciones del flujo en lámina libre:

Conservación de la masa

Conservación de la cantidad de
movimiento
(2ª ley de Newton)
(alternativamente: conservación de
la energía)
El modelo Iber
Ecuaciones Hidrodinámicas
A partir de las ecuaciones de Navier-Stokes (fluido newtoniano e isotropo
en 3D):
Navier-Stokes
conservación masa
+
2ª ley de Newton
Reynolds
Promedio
temporal
u  u  u
1 2
u
udt

t2  t1 t1
t
u: valor instantaneo
u : fluctuaciones turbulentas
u : promedio temporal
Saint Venant 2D
(aguas someras)
Integración en
la vertical
1 z0  h
u   u dz
h z0
u : promedio en la vertical
Las variables en un modelo 2D son promediadas en la profundidad
El modelo Iber
Ecuaciones Hidrodinámicas
Ecuaciones de aguas someras 2D
h q x q y


0
t x
y
z b τ b,x  
q x   q 2x
U x   
U x 
h2    qxqy 
  g  





gh
ν
h
ν
h

 t

 t

t x  h
x
x  y 
y 
2  y  h 
ρ x 
q y   q x q y    q 2y
U y   
U y 
z b τ b,y  
h2 
 

  νt h
    g   gh
   νt h

t x  h  y  h
2 
y
ρ x 
x  y 
y 
 Distribución de presión hidrostática
 Velocidad uniforme en profundidad  h, Ux, Uy
El modelo Iber
Ecuaciones Hidrodinámicas
Forma vectorial:

U  F  H
t


qx
 2
h
 
 qx
h2
g
U   qx  ; F  
h
2
q 

 y
 qx q y

h

Pendiente
motriz:




qy
0



qx q y

 gh( S  S )    ν h U x     ν h U x
;

H
ox
fx
 t
 y t


h

x

x
y





qy 2
h2 
U y   
U y
 

g 
 gh( Soy  S fy )  x  ν t h x   y  ν t h y
h
2 




S fx 
q: caudal específico
u
u 2  v 2 n2
h
43
;
S fy 











v u 2  v2 n2
h4 3
(Ec. en forma conservativa)
El modelo Iber
Ecuaciones Hidrodinámicas
• Sistemas de ecuaciones hiperbólicos: teoría de las características
(bicaracterísticas)
(cos  , sen  )
y
(  sen  , cos  )
ct

(ut,vt)
x
d (un  2c) ut

  g ( S0 x  S fx ) cos   g (S0 y  S fy )sen 
dt

(Ecuación válida sobre el cono característico)
El modelo Iber
Ecuaciones Hidrodinámicas
Las características Proporcionan información importante del
comportamiento de la solución.
t
R. LENTO (Fr<1)
dx dt  v  c
dx dt  v  c
Característica
positiva
C
c  celeridad  gh
P
Dominio de
dependencia de P
Característica
negativa
C
x
El modelo Iber
Ecuaciones Hidrodinámicas
t
R. RÁPIDO Fr>1
dx dt  v  c
dx dt  v  c
Característica
positiva
C
P
Dominio de
dependencia de P
c  celeridad  gh
Característica
negativa
C
x
El modelo Iber
Condiciones de contorno
• Nº condiciones según teoría de las características
Entrada
Salida
R. Lento
2
1
R. rápido
3
0
LENTO
RÁPIDO
tn+1
tn+1
tn
tn
El modelo Iber
Condiciones de contorno
Contornos abiertos
 Calado constante
 Salida en ríos, canales
Condición de vertedero
 Calado variable en tiempo
 Marea
 Condición de vertedero
 Sección de control
 curva de gasto
 Caudal total constante
 Entrada en ríos, canales
 Hidrograma
 Avenidas en ríos
Hidrograma
El modelo Iber
Hidrodinámica
Contornos abiertos
Calado variable en tiempo
Onda de marea
El modelo Iber
Fricción de fondo
Fórmula de Manning
τ b,x
n 2 U Ux
ρgh
h 4/3
τ b,y  ρ g h
n2 U Uy
h 4/3
El modelo Iber
Fricción de pared
Deslizamiento libre
Rozamiento
Ríos, zonas costeras
Canales, estructuras
hidráulicas
u 

u*
y 
Ln  30

κ
K
S 

El modelo Iber
Dominio Público Hidráulico
Zona de flujo preferente
T=100 años
RD 9/2008
Modificación RDPH
Daños graves para personas y bienes
Vía de intenso desagüe
h>1m
 Δ Zs < 0.3 m (0.1 - 0.5)
 V > 1 m/s
 q > 0.5 m2/s
Zonas inundables
T = 500 años
h>0m
El modelo Iber
Hidrodinámica
Herramientas de soporte para determinación vía
intenso desagüe
•Línea y distancia
•Polígono
El modelo Iber
Hidrodinámica
Zonas de riesgo
Zonas inundables
El modelo Iber
Frentes Seco-Mojado
Mojado si h > tolerancia (ewd)
Método estable, conservativo, no difusivo
t=0h
t=4h
El modelo Iber
Frentes Seco-Mojado
3 Métodos distintos para el secado cuando Velemento<Dt·SQsalida
•
Secado normal: calado negativo
(inestabilidades si h pequeño)
ewd
•
Secado estricto: reducción Dt
(aumento tiempo de cálculo)
ewd
•
h<0
Secado hidrológico:
reducción caudal de salida
(disminuye precisión con
v alta y h pequeño)
ewd
0<h<ewd
h=0
El modelo Iber
Ejemplo 1: Influencia acondicionamiento carretera
3500
3000
T = 500 anys
T = 100 anys
T = 10 anys
Cabal (m3/s)
2500
2000
1500
1000
500
0
0
10000
20000
30000
40000
Temps (s)
50000
60000
70000
80000
El modelo Iber
Ejemplo 1: Influencia acondicionamiento carretera
El modelo Iber
Ejemplo 1: Influencia acondicionamiento carretera
El modelo Iber
Ejemplo 1: Influencia acondicionamiento carretera
El modelo Iber
Ejemplo 1: Influencia acondicionamiento carretera
El modelo Iber
Ejemplo 1: Influencia acondicionamiento carretera
El modelo Iber
Ejemplo 1: Influencia acondicionamiento carretera
El modelo Iber
Ejemplo 2: Actuaciones en el Puerto de Tarragona
Escenario 1
Escenario 2
- Evaluación del efecto del río
en el puerto de Tarragona
- Evaluación de variables
como
velocidad,
caudal,
acción hidrodinámica, etc.
-Propuesta de dos escenarios
de cálculo de acuerdo a las
nuevas
infraestructuras
diseñadas en el puerto
El modelo Iber
Ejemplo 2: Actuaciones en el Puerto de Tarragona
Cota de agua
Velocidad
Número de Froude
El modelo Iber
Ejemplo 2: Actuaciones en el Puerto de Tarragona
- Representación vectorial
de la velocidad (magnitud)
El modelo Iber
Ejemplo 2: Actuaciones en el Puerto de Tarragona
Capacidad de erosión
El modelo Iber
Ejemplo 3: Riesgo inundación en Andorra
•
Base topográfica obtenida a partir de vuelos LIDAR. (puntos cada 0.5 m)
El modelo Iber
Ejemplo 3: Riesgo inundación en Andorra
El modelo Iber
Ejemplo 3: Riesgo inundación en Andorra
El modelo Iber
Ejemplo 3: Riesgo inundación en Andorra
El modelo Iber
Ejemplo 3: Riesgo inundación en Andorra
Capacidad de arrastre
El modelo Iber
Ejemplo 4: Rotura instantánea balsa
V = 278000m3
Calado = 5m
El modelo Iber
Ejemplo 4: Rotura instantánea balsa
Malla de 30104
elementos
Condiciones iniciales:
y=5m en la balsa
El modelo Iber
Ejemplo 4: Rotura instantánea balsa
El modelo Iber
Ejemplo 4: Rotura instantánea balsa