Tesis:
Aplicaciones de la hidrodinámica suavizada de las partículas al estudio de fenómenos hidráulicos.
- Autor: LOPEZ GOMEZ, David
- Título: Aplicaciones de la hidrodinámica suavizada de las partículas al estudio de fenómenos hidráulicos.
- Fecha: 2010
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS
- Departamentos: INGENIERIA CIVIL: HIDRAULICA Y ENERGETICA
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/5526/
- Director/a 1º: GARROTE DE MARCOS, Luís
- 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.