Optimización del comportamiento de estructuras hidráulicas complejas a través de modelación física. Caso estudio: vertederos tipo laberinto y abanico.

Los vertederos en abanico y laberinto son estructuras hidráulicas complejas que se presentan como una excelente alternativa para regular niveles de agua e incrementar la capacidad de descarga en aliviaderos que requieren desaguar altos caudales de diseño. Sin embargo, por las complejas características del flujo en estas estructuras puede ser difícil conseguir un diseño óptimo en base únicamente a la literatura existente. En casos así, es cuando la modelación física es una herramienta que genera soluciones innovadoras a los problemas hidráulicos complejos, a más de ser la base para la generación de nuevos conocimientos. La presente investigación fue conducida para optimizar el comportamiento de estructuras hidráulicas especiales para el proyecto PACALORI a través modelos físicos, específicamente los casos de aliviaderos con vertedero de tipo abanico y laberinto. Se construyeron tres modelos físicos a escala no distorsionada y fundamentados en el criterio de similitud de Froude, el aliviadero con vertedero en abanico a escala 1:30 y los aliviaderos con vertedero en laberinto a escala 1:45. Los resultados alcanzados permitieron evaluar cualitativamente las características del complejo flujo tridimensional sobre las mismas y optimizar los componentes hidráulicos de cada una de ellas a través del planteamiento y evaluación de alternativas de diseño. Del análisis de los resultados experimentales, y como contribución de esta investigación, se determinó que el rango de variación del coeficiente de descarga Cd para vertederos en abanico puede estar entre 2.06 y 2.15 para 0.3 < H/Hd < 1.0. En el caso de vertederos en laberinto los resultados experimentales muestran que modelo de Darvas (1971) es el que mejor estima el coeficiente de descarga Cd considerando el uso de pilas separadoras de flujo en los vértices aguas arriba y aguas abajo del laberinto trapezoidal; asimismo se ha visto que la capacidad de descarga disminuye sin estos elementos, puesto que la longitud efectiva es menor y el coeficiente de descarga para mayor seguridad puede estimarse mejor con los modelos de B. M. Crookston (2010) y Bilhan et al. (2016). Los resultados obtenidos servirán como una nueva base para el planteamiento del diseño de vertederos en abanico y laberinto, sin embargo, después de analizar la importancia de la verificación experimental se recomienda necesario verificar siempre el desempeño hidráulico de este tipo de estructuras a través de un estudio en modelo físico.Labyrinth and fan spillways are complex structures, presented as an alternative to regulate water levels and increase the discharge capacity of high demanding structures in comparison to the possibilities offered by frontal spillways with standard crest. However, due to its complex flow characteristics, it is difficult to achieve an optimum design of these structures based only on the current literature. Hence, physical modelling arises to provide innovative solutions to complex hydraulic problems, as well as, to produce the basis of new knowledge. This study aims to optimize behavior of special hydraulic structures for PACALORI project using physical modeling, specifically, labyrinth and fan spillways cases. With this objective, three physical models were built using a non-distorted scale under Froude’s similarity: a fan spillway at scale 1:30 and two labyrinth spillways at scale 1:45. The results obtained, allow qualitatively to evaluate the complex 3D-flow characteristics produced and to optimize the hydraulic components of each structure by a trial and error of different alternatives. Results from the experimental analysis contributed to determine a range of variation for the discharge coefficient (Cd) for fan spillways between 2.06 and 2.15 for 0.3 < H/Hd <1.0. On the other hand, experimental results for labyrinth spillways showed that Darvas model (1971) is more accurate to estimate the discharge coefficient (Cd) when the nappe breakers upstream and downstream of labyrinth weirs vertex are used. Furthermore, experiments showed that discharge capacity is reduced without the separating stacks, given that the effective length decreases, for this case, the discharge coefficient can be safely estimated using models referred by B. M. Crookston (2010) and Bilhan et al. (2016). Although the current study contributes to the knowledge for further designs for fan and labyrinth spillways, it also highlights the importance of experimental validation and therefore, it is recommended to verify the hydraulic behavior of these structures by a physical modeling.Magíster en Investigación en Ciencias de la Ingeniería para la Gestión de los Recursos HídricosCuenc

Estudio para validación de un modelo de lavado de sedimiento en embalses y otras estructuras hidráulicas

La presente tesis es una investigación experimental del comportamiento de las variables asociadas a los procesos de lavado de sedimento en obras hidráulicas a través del vaciado y mediante el uso de compuertas. Esta investigación se ha realizado para contribuir al entendimiento de la problemática que presentan estructuras hidráulicas. El estudio se ha ejecutado en el marco del convenio interinstitucional celebrado entre la Universidad de Cuenca y la Empresa HIDROSANBARTOLO S.A. El desarrollo de la investigación se realizó en el modelo físico a escala reducida implementado en el Laboratorio de hidráulica del Programa para el Manejo del Agua y del Suelo PROMAS Universidad de Cuenca. A partir de la conceptualización de un modelo que incorpora los procesos que intervienen en el lavado de sedimento, se procedió a evaluar ecuaciones de transporte y un modelo conceptual de geometría prismática planteado en consideración de las variables fundamentales de: caudal, longitud de lavado, tiempo asociado al avance del lavado, y la tasa de transporte de sedimento. Se ha obtenido como resultado la identificación del desempeño y evaluación de dos ecuaciones de transporte de fondo: 1) Radu Priscu y 2) Schoklitsch, para dimensionar procesos de lavado en obras hidráulicas; se concluye de manera general que dichos modelos numéricos sobrestiman las proyecciones de longitud de lavado en extensiones medias mientras que para longitudes mayores la diferencia con los valores medidos es menor, recomendándose adicionalmente el empleo de la ecuación de Schoklitsch para estimar longitudes finales de lavado hidráulico en una configuración prismática.Ingeniero CivilCuenc

Study for Selecting the Solution of a Dam's Discharge Chute Canal

Some hydraulic studies to find an adequate solution for a discharge chute canal are presented in this paper. Tha chute canal is appropriate work of the Lechugal 2 earth dam (H=20 m), which is part of a large irrigation system from Ecuador, presently under construction. Studies have consisted in experiments on hydraulic model of the chute canal built at geometrical scale 1:35 and by numerical simulations in one-dimensional steady flow running HecRas software. In first stage numerical model was calibrated based on experiment results and in second stage other three constructive variants of the chute canal were analysed numerically in order to improve the solution settled by hydraulic model. The technical performances of each variant settled by these experimental and numerical studies follow to be completed with economical analyses which will allow designer to choose the best solution for discharge chute canal.Buchares