Aplicaciones de la hidrodinámica suavizada de las partículas al estudio de fenómenos hidráulicos

López Gómez, David (2010). Aplicaciones de la hidrodinámica suavizada de las partículas al estudio de fenómenos hidráulicos. Tesis (Doctoral), E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM).

Descripción

Título: Aplicaciones de la hidrodinámica suavizada de las partículas al estudio de fenómenos hidráulicos
Autor/es:
  • López Gómez, David
Director/es:
  • Garrote de Marcos, Luis
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: 2010
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM)
Departamento: Ingeniería Civil: Hidráulica y Energética [hasta 2014]
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

El diseño de estructuras hidráulicas complejas, como aliviaderos o desagües de fondo de presas, donde el movimiento del agua se produce a gran velocidad, requiere de un estudio hidrodinámico que permita detectar problemas de ondas, de cavitación, o cualquier otro, que puedan afectar al correcto funcionamiento de la estructura o incluso a poner en riesgo su estabilidad. Este estudio se ha realizado tradicionalmente mediante experimentación en modelo físico, puesto que no se dispone, hasta la fecha, de una herramienta matemática contrastada que permita abordar o al menos complementar este tipo de estudios. Sin embargo, los beneficios de la modelación híbrida, son claros. Un primer análisis matemático facilita análisis del fenómeno y permite acotar los problemas que es necesario tratar en modelo físico. Además la experimentación conjunta físico-numérica de las modificaciones reduce plazos y costes. Los modelos Lagrangianos, o de Partículas y en concreto SPH, han permitido abordar estudios muy complejos en diferentes ramas de la ingeniería. En esta tesis se trata de comprobar la aplicabilidad del método SPH al diseño de estructuras hidráulicas. El camino recorrido con este fin se presenta en los siguientes pasos. En primer lugar se ha realizado una revisión completa del tratamiento ecuacional del problema, describiéndose las ecuaciones fundamentales del movimiento del agua desde un punto de vista Lagrangiano, con especial atención en el movimiento turbulento de los fluidos y a las diferentes formulaciones teóricas de cierre turbulento. Se describen, a continuación, los fundamentos del método SPH y se presentan las ecuaciones de Navier-Stokes y de cierre turbulento, en forma SPH. Seguidamente se presenta la metodología seguida para la validación. Se ha diseñado un caso de prueba basado en el resalto hidráulico que ha sido ensayado en modelo físico en el Laboratorio de Hidráulica del C.E.H (CEDEX) y numéricamente con el modelo MDST, software desarrollado en el CEDEX por Grassa (2004). Se trata de un código FORTRAN 90 que emplea el método SPH para resolver las ecuaciones de Navier-Stokes para fluido cuasi-incompresible. Además, se analiza la influencia que tienen sobre los resultados numéricos, el tratamiento de los contornos y del modelo de turbulencia empleado. Para este análisis ha sido necesario implementar en el código MDST las ecuaciones del modelo de turbulencia k-E. También se propone en esta tesis una nueva formulación SPH de la viscosidad turbulenta, basada en el campo de vorticidades del flujo y que mejora la representatividad del método en flujos con números de Froude altos. Finalmente se presentan dos estudios de validación realizados sobre casos reales, con resultados satisfactorios. El estudio del impacto de los chorros de los desagües de fondo sobre el cuenco de amortiguamiento de la presa de Villar del Rey muestra cómo es posible, reproducir con SPH flujos hidrodinámicos muy complejos y, proporcionar valores de presión en el contorno coherentes con los registros de presión obtenidos en el prototipo. Del mismo modo, el estudio de la escala de peces presenta una gran correspondencia entre modelo físico y matemático, reproduciendo una inestabilidad del flujo. Además ha mostrado un buen ajuste con los datos de velocidad medidos en modelo físico. ABSTRACT The design of complex hydraulics works, such as spillways and bottom outlet with high velocity water flux, needs hydrodynamic studies to detect problems with waves, cavitations and so on, phenomena which could affect the structure smooth running and stability. Traditionally, this kind of studies has been carried out only by means of physical model experimentation because of the absence of verified mathematical tools, which let to tackle and complement these kinds of studies. However, hybrid modelling presents interesting improvements. A first mathematical study provides a initial phenomena analysis and delimits different problems before the physical model test. Moreover, the double physical and numerical experimentation of modifications reduces time and costs. Lagrangian or particles models, and specifically SPH, have let to study very complex phenomena in different engineering fields. This thesis tries to check the applicability of SPH method to hydraulics structure works. This process is showed by these steps. First, It is presented a complete review of free-surface water flux equations form a Lagrangian point of view, with special attention to free-surface turbulent flow and different theoretical formulations of the turbulent closure. Then, SPH method basis are described. As well Navier-Stockes and turbulent closure equations are showed in SPH form. The methodology following to validate the model is presented later. A test case has been designed based on hydraulic jump. It has been tested with physical model in the CEDEX Hydraulic Laboratory and numerically with MDST model, software developed in CEDEX by Grassa (2004). This program is a FORTRAN 90 code which uses SPH method to solve Navier-Stockes equations to quasi-incompressible fluid. Moreover, the influences over numerical results, boundaries treatment and turbulence model have been analyzed as well. This analysis has required implementing the equations of k-E turbulence model in MDST code. A new SPH formulation of turbulent viscosity has been proposed in this thesis too. This formulation is based in the flux vorticity field, which improves the method representativeness in high Froude numbers flow. Finally, two validation studies are presented, founded in real, cases with satisfactory results. The study of still basin in Villar del Rey dam shows the possibility to reproduce very complex hydrodynamic phenomena with SPH. Also, it provides boundary pressure values consistent with prototype outcomes. In the same way, fish-way study shows a high correspondence between physical and mathematical model, reproducing flow instability. Furthermore, a good adjustment has been obtained with velocity data based on the physical model.

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ID de Registro: 5526
Identificador DC: http://oa.upm.es/5526/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:5526
Depositado por: Archivo Digital UPM
Depositado el: 20 Dic 2010 08:45
Ultima Modificación: 20 Abr 2016 14:18
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