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.
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