Influencia de la aireación del flujo en rápidas y en el rendimiento de amortiguación de energía en cuencos de resalto

Rebollo Cillán, Juan José (2019). Influencia de la aireación del flujo en rápidas y en el rendimiento de amortiguación de energía en cuencos de resalto. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.56767.

Description

Title: Influencia de la aireación del flujo en rápidas y en el rendimiento de amortiguación de energía en cuencos de resalto
Author/s:
  • Rebollo Cillán, Juan José
Contributor/s:
  • Garrote de Marcos, Luis
  • López Gómez, David
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2019
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM)
Department: Ingeniería Civil: Hidráulica, Energía y Medio Ambiente
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Esta tesis es el resultado de un trabajo de investigación desarrollado durante 5 años en el marco del proyecto de investigación LS-EMULSIONA, cuyo objetivo ha sido caracterizar el efecto de la aireación del flujo con régimen turbulento y supercrítico en rápidas y analizar su influencia sobre el resalto hidráulico. Para llevar a cabo este estudio experimental, se ha construido en el Laboratorio de Hidráulica del Centro de Estudios Hidrográficos del CEDEX un modelo físico de grandes dimensiones, formado por una rápida de 7 m de altura y un canal de resalto de casi 10 m de longitud. Estas dimensiones del modelo garantizaran la representatividad de los resultados y permitirá extrapolar las conclusiones a prototipos a escala real. La principal motivación de este trabajo es ahondar en el estudio de la influencia que podría tener la aireación sobre el rendimiento de amortiguación de energía en cuencos de resalto, lo que permitiría aumentar los rangos de funcionamiento de las estructuras de disipación. Para analizar este efecto se ha diseñado una campaña experimental con diferentes caudales de agua y aire, lo que han permitido establecer múltiples escenarios de funcionamiento para estudiar la evolución del comportamiento hidrodinámico del resalto. Otro objetivo de esta investigación ha sido analizar la influencia de la concentración de aire en los mecanismos de disipación de energía en la rápida, que surge como paso previo y necesario para caracterizar el comportamiento del flujo de entrada al cuenco de amortiguamiento. Por último, también se ha incluido en el alcance de este trabajo realizar una comparativa de los diferentes dispositivos que se utilizan de manera experimental para determinar la concentración de aire en un flujo emulsionado, que sigue suponiendo un reto en la actualidad. A partir de los resultados obtenidos en la campaña de ensayos, se han extraído una serie de conclusiones sobre los efectos que produce la aireación sobre el flujo de la rápida y el resalto hidráulico del modelo físico. La semejanza de Froude garantiza la representatividad de estos resultados para prototipos con una escala geométrica diez veces superior, lo que permite extender estas conclusiones a un gran número de aliviaderos y cuencos de amortiguamiento actuales. En primer lugar, de los métodos para determinar la concentración de aire en la mezcla emulsionada, la sonda de conductividad proporciona resultados precisos y cuenta con la ventaja de ser un equipo muy robusto, por lo que ha sido seleccionada para obtener el perfil de concentraciones en todos los ensayos. En cuanto a los resultados experimentales en la rápida, se ha comprobado que, a igualdad de condiciones de otras variables hidráulicas, una mayor aireación se traduce en una aceleración del flujo, lo que supone una reducción de la fricción con los contornos. A partir de esta relación, se ha propuesto una formulación para caracterizar este fenómeno y que permite cuantificar el efecto de la aireación sobre el coeficiente de rugosidad de Manning. El análisis del resalto hidráulico muestra que, para números de Froude del flujo de entrada comprendidos entre 6 y 8 y concentraciones de aire entre 22 y 33 %, no se aprecia ninguna dependencia entre el calado conjugado y la longitud del resalto con la concentración. En este sentido, tampoco se aprecian mejoras en el rendimiento de la amortiguación de energía con mayor aireación del flujo de entrada en el cuenco. Los resultados sí muestran un desequilibrio del esquema dinámico, por lo que se ha propuesto una nueva formulación que incluye una fuerza de reacción en el resalto. Finalmente, se han propuesto una serie de líneas de investigación futuras para ampliar el conocimiento sobre esta temática y que se orientan en dos direcciones. En primer lugar, es necesario aumentar el número de ensayos con mayores concentraciones y ampliar el rango de números de Froude en el resalto hidráulico. También se pretende incorporar los resultados obtenidos a un modelo lagrangiano tridimensional, para desarrollar y calibrar el módulo hidrodinámico para flujos aireados. ----------ABSTRACT---------- This thesis is the results of a five years research included in the framework of the LSEMULSIONA project. The purpose of this study is to characterize the influence of aeration in supercritical and fully turbulent flows and analyze the influence over the hydraulic jump. Our analysis is based on a physical model with high dimensions to reproduce these phenomena and consists of a spillway chute 7 m high, followed by a 10 m length still basin. This structure has been built in the Hydraulic Laboratory of the Hydrographical Studies Centre (CEDEX). The size of the physical model guarantees the results representation and ensures the main conclusions in real prototypes. The main objective of this project is to extend the knowledge of the influence of aeration in the energy damping in still basins. This analysis would increase the efficiency of dissipation structures. This phenomenon has been studied in different scenarios with water and air flow rates to check the hydrodynamic evolution of the jump. The second objective is focused on the effects of aeration over the supercritical flow in the channel and how the velocity field is modified according to different air concentrations. This analysis is needed to characterize the flow entrance to the still basin. Finally, the third part is aimed at comparing the different experimental tools to determine the air concentration in the physical model. Results obtained in tests show different conclusions about the aeration effects on the flow in the physical model. In this scale, Froude similarity guarantees the results representation in spillways and still basin ten sizes bigger, covering a high number of current structures. First, considering four methods to determine the air concentration in emulsionated flows, the conductivity probe offers accurate results and is very strong in tests with high flow rates. These are the main reasons to be selected for the testing program. About the experimental results in the chute, with same conditions in other variables, higher aeration generates a flow velocity increase and the boundary friction reduction. With this relation, a new formulation has been proposed to quantify this effect over the Manning´s roughness coefficient. The hydraulic jump analysis is focused to Froude numbers between 6 and 8 and concentrations between 22 and 33 %. In this range, results do not show any relation between the subcritical depth and the length with the air concentration. There is no discernible improvement in the energy damping in the still basin with higher aeration of the flow entrance. Instead, all tests results show unbalance in the dynamical scheme. To solve this difference, a new formulation has been proposed with a reaction strength in the hydraulic jump. Finally, a few research lines has been proposed to extend the knowledge of the study and follow two ways. First, it is necessary to increase the experimental program with bigger air concentration tests and higher Froude numbers in the still basin. Moreover, the Hydraulic Laboratory of CEDEX is working in the calibration of a lagragian model 3D with the results obtained in this research to reproduce aerated flows.

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Item ID: 56767
DC Identifier: http://oa.upm.es/56767/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:56767
DOI: 10.20868/UPM.thesis.56767
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 03 Dec 2019 09:36
Last Modified: 03 Dec 2019 09:38
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