Conservative numerical boundary conditions

4 Pags., 2 Figs. Trabajo originalmente presentado en International Workshop on Numerical Modelling of Hydrodynamic for Water Resources (Zaragoza. 2007)A recent technique for the numerical boundary conditions in 1D shallow water flow models is able to preserve the good properties of a conservative scheme used for the interior points. The implementation in a conservative scheme is shown in a test cases with exact solution and applied to the simulation of a real river flood wave leading to very satisfactory results.Peer reviewe

Estrategias de paralelización de un código de simulación hidráulica de flujos transitorios 2D en volúmenes finitos

En este proyecto se plantea la optimización de SFS2D, un código científico de simulación hidráulica, secuencial y escrito en Fortran, con una gran carga computacional. SFS2D sirve para modelar situaciones muy diversas que van desde la simulación de las consecuencias de una rotura de presa al estudio de una crecida repentina del caudal de un río. SFS2D ha sido desarrollado por el Grupo de Hidráulica Computacional de la Universidad de Zaragoza y se basa en un método de resolución de flujos de superficial libre que en la actualidad sirve como soporte para desarrollar nuevos modelos numéricos acoplados. Sin embargo, tras varios años de evolución, el rendimiento de SFS2D es escaso y las simulaciones de interés se prolongan demasiado en el tiempo. Esto es un problema a la hora de obtener resultados, siendo necesaria algún tipo de optimización que haga disminuir estos tiempos lo máximo posible. Para esto y como veremos a lo largo del trabajo, se han estudiado distintas opciones de optimización, desde las proporcionadas por el propio compilador hasta el desarrollo de versiones adaptadas a diversas plataformas multiprocesador. Para ello, se han considerado los dos modelos principales de ejecución paralela en cálculos científicos: memoria compartida y paso de mensajes. La versión paralela de memoria compartida se ha codificado utilizando primitivas OpenMP y es apropiada para su ejecución en máquinas \emph{multicore}, que integran varios procesadores de alto rendimiento en un chip. La versión paralela basada en memoria distribuída se ha programado usando primitivas MPI y es apropiada para su ejecución de un número potencialmente grande de nodos de cálculo independientes pero conectados mediante una red de alto rendimiento (máquinas de memoria distribuida). En la evaluación experimental se observa que el escalado de la versión basada en paso de mensajes es muy bueno también en máquinas de memoria compartida por lo que se considera la aportación principal de este proyecto. Para caracterizar el rendimiento de nuestras soluciones, usamos como carga de trabajo tres simulaciones diferentes que cubren la casuística general de las simulaciones que se hacen a través del ámbito abarcado por SFS2D. La evaluación del rendimiento se ha realizado además en máquina real, utilizando tres clúster \footnote{Conjunto de nodos de cálculo} suficientemente distintos como para dar validez a nuestras conclusiones. El primero de ellos es un clúster conformado por equipos de características no destinado a este tipo de ejecuciones. El segundo equipo, denominado Terminus, está especializado en computación y consigue una gran densidad de cálculo mediante una organización en blades y una jerarquía de interconexión optimizada. Por último se utiliza también el nodo de la Red Española de Supercomputación en Zaragoza, Caesaraugusta. Caesaraugusta es un supercomputador destinado únicamente a cálculo científico de memoria distribuida con 512 procesadores interconectados mediante una red de baja latencia (Myrinet)

Riego por aspersión a baja presión en coberturas totales y máquinas de riego

La eficiencia en el uso del agua y de la energía es una necesidad en los sistemas de riego recientemente modernizados, de otra forma no son viables ni económica ni medioambientalmente. Una vía para mejorar la eficiencia energética de los regadíos es reducir la presión de trabajo de los emisores, sin que esto afecte a la calidad del riego y a la eficiencia en el uso del agua. En esta tesis se ha realizado un estudio experimental para analizar la viabilidad técnica y agronómica de la disminución de la presión de trabajo en aspersores de impacto usados comúnmente en sistemas de cobertura total. Se ha analizado una reducción de la presión de operación en la boquilla del aspersor de 300 kPa (presión estándar) a 200 kPa (baja presión) sin modificar el espaciamiento del diseño habitual de las coberturas totales. Esto se ha llevado a cabo en una parcela experimental de aproximadamente 2 hectáreas durante 3 campañas de cultivo. El estudio se apoya en resultados previos que mostraron que la reducción de la presión produce pérdidas de calidad del riego moderadas (Robles et al., 2017). Se han ensayado tres tratamientos de riego combinando diferentes tipos de aspersores y presiones de operación: 1) aspersor de impacto convencional a 300 kPa, 2) aspersor de impacto convencional a 200 kPa, y 3) aspersor de impacto de plástico con placa deflectora en la pala a 200 kPa (siguiendo las especificaciones de Kincaid et al., 1991). Los tres tratamientos de riego se han distribuido al azar en una parcela de doce sectores, por lo que cada tratamiento disponía de cuatro repeticiones. Durante las 3 temporadas se ha sembrado maíz por ser un cultivo sensible al estrés hídrico que puede mostrar pérdidas de rendimiento ante cualquier deficiencia en la calidad del riego. La calidad del riego se ha evaluado mediante mallas de pluviómetros (25 puntos) en una réplica de cada tratamiento. Se han realizado diversas mediciones agronómicas, como la altura de planta a máximo desarrollo, la radiación fotosintéticamente activa interceptada por el cultivo y algunos componentes de la producción: biomasa aérea, producción en grano e índice de cosecha. Los resultados de las dos primeras campañas de cultivos mostraron una reducción de los índices de calidad del riego estacional (≈10%) en los tratamientos de baja presión respecto a los de presión convencional. Sin embargo, la producción del cultivo no presentó diferencias significativas entre tratamientos.En ingeniería del riego, tanto en el diseño como en el manejo de los sistemas de riego, se recomienda unos estándares mínimos de calidad del riego (uniformidad y eficiencia) que aseguran que la producción no se resiente (Stern and Bersler, 1983; Dechmi et al., 2003; Cavero et al., 2008; Sánchez et al., 2010; Urrego-Pereira et al., 2013). Una diferencia de un 10% en uniformidad estacional debería de haberse visto reflejada en la producción del cultivo. Para dar respuesta a esta incógnita, en la tercera campaña de cultivo se ha abordado el análisis de la calidad del riego comparando las medidas sobre el dosel vegetal con las medidas bajo el dosel vegetal (Zapata et al., 2018). Las medidas sobre el dosel vegetal se han realizado en 25 puntos con una malla de 25 pluviómetros y las medidas bajo la cubierta vegetal, en los mismos 25 puntos, con dispositivos especialmente diseñados para medir el agua que fluye a través del tallo (stemflow) y la que cae directa o indirectamente al suelo (throughfall). Estas medidas se han realizado durante ocho eventos de riego, cuando el cultivo del maíz estaba completamente desarrollado en altura. Como medidas complementarias se han medido con un disdrómetro óptico (Montero et al., 2003) los tamaños de gota que emitía cada tratamiento. La suma del stemflow y el throughfall representa el volumen de agua que llega al suelo en cada uno de los 25 puntos de medida de cada tratamiento. Bajo condiciones de viento bajo y con una cubierta vegetal completamente desarrollada (situación frecuente en el riego del maíz), la uniformidad del riego medida bajo la cubierta del cultivo ha sido mayor que la uniformidad medida sobre la cubierta del maíz en los tratamientos de baja presión, mientras que lo opuesto se ha observado en el tratamiento de presión estándar. Se concluye que la cubierta vegetal del maíz reduce las diferencias entre los tratamientos de presión en la distribución del agua de riego que llega al suelo, explicando por qué no hay diferencias de rendimiento entre ellos.De estos trabajos se deduce que para evaluar la calidad del riego estacional en sistemas de riego por aspersión a baja presión en cultivos de porte alto (como el maíz), las determinaciones de la distribución de agua bajo el dosel vegetal o las determinaciones agronómicas como la producción en grano son más adecuadas que las tradicionales determinaciones de uniformidad sobre la cubierta del cultivo. La distribución de agua que realiza el dosel de los cultivos de porte alto mejora la uniformidad de distribución del agua que llega al suelo, especialmente en los tratamientos de baja presión. Tres años de experimentación permiten concluir que la baja presión en aspersión ahorra energía manteniendo los estándares de calidad, el uso del agua y la producción del cultivo.Por otra parte, la combinación de los trabajos experimentales y los modelos de simulación suponen una herramienta importante para establecer recomendaciones en la fase de diseño y manejo de los sistemas de riego con la posibilidad de analizar factores económicos y de producción (Playan et al., 2006). La simulación del riego por aspersión se basa en el análisis de la dinámica de las gotas explicada por la teoría balística. En esta tesis, se ha desarrollado una herramienta de autocalibración para calibrar y validar los parámetros óptimos que simulan el riego por aspersión de dos tipos de aspersores: los de impacto y los utilizados en máquinas autopropulsadas (pívot o avance frontal). Se ha desarrollado una base de datos de ensayos experimentales (desarrollados en el grupo RAMA, 2018) incorporando nuevo material de riego para ambos tipos de aspersores que operan a baja presión. La base de datos correspondiente a los aspersores de impacto incluye ensayos experimentales con diversas marcas de aspersores de impacto tanto en cobertura total como de manera aislada reportados en diversos trabajos (Playán et al. 2006; Sánchez et al. 2010; Stambouli et al. 2014; Paniagua, 2015; Robles et al. 2017) y bajo diversas combinaciones de: tamaños de boquillas (principales de 4.0 mm, 4.4 mm, 4.5 mm, 4.8 mm y 5.2 mm y secundarias de 2.4 mm y 2.5 mm), presiones de operación (desde 200 kPa a 400 kPa), espaciamientos (marcos rectangulares, cuadrados) y condiciones meteorológicas (tres niveles de viento, bajo medio y alto). La herramienta de autocalibración combina la base de datos experimental con el modelo balístico y un módulo de calibración. Esta herramienta permite además incorporar nuevo material de riego.Se ha utilizado un modelo balístico (Playán et al. 2006) para reproducir la trayectoria de las gotas desarrollando e incorporando las siguientes modificaciones:• simulación del movimiento de las gotas considerando meteorología variable durante el tiempo de los experimentos,• diferentes métodos y pasos de tiempo para la resolución numérica, • una ecuación de pérdidas por evaporación y arrastre que represente todos los ensayos, • consideración de la pendiente del terreno, • diferentes muestreos de gotas generadas (usando métodos regulares y aleatorios),• variación del tamaño de celdas del terreno donde caen las gotas simuladas y• consideración de dos distribuciones diferentes de tamaños de gotas (Weibull y ULLN).En cuanto al análisis de la baja presión en máquinas de riego, se ha conformado una base de datos de diversos experimentos realizados en campo caracterizando el patrón de aplicación de agua de un aspersor de rotación de tipo spray con movimiento de precesión-nutación que opera a muy baja presión (Los tres modelos de arrastre fueron: 1) el modelo clásico que supone gotas rígidas esféricas cuya resistencia es función del número de Reynolds (Fukui et al. 1980), 2) el modelo comúnmente utilizado que modifica la resistencia de la gota esférica según el ángulo entre la velocidad de la gota y el viento (Tarjuelo et al., 1994) y 3) un nuevo modelo basado en el modelo dos pero cuyos parámetros empíricos no dependen de la velocidad del viento y su cálculo permite la variación de las condiciones meteorológicas durante el tiempo de riego. De los esfuerzos de simulación en cobertura total se concluye que existen diferencias significativas en el coeficiente de uniformidad medido y simulado cuando se considera un valor constante de la velocidad del viento (9%) con respecto a considerar la velocidad de viento con una frecuencia de tiempo menor o igual a 30 minutos (6%). Además, el efecto de la pendiente del terreno en el coeficiente de uniformidad medido y simulado sólo es relevante (diferencias del 11%) cuando la velocidad de viento es mayor a 4 m s-1.De los trabajos realizados en aspersores de máquinas de riego se deduce que: la baja presión de este aspersor no modifica el perfil triangular en su distribución de agua por lo que teóricamente podría reproducir coeficientes de uniformidad adecuados al solapar el riego en un pívot. Además, con el uso de la técnica óptica se han caracterizado de manera rápida y automática 16700 gotas que, aunado a la simulación inversa, permitieron obtener las pérdidas de carga originadas por el choque del chorro con el plato deflector (≈60%). El modelo de arrastre propuesto no presenta diferencias significativas en el riego simulado respecto al modelo clásico; sin embargo, ambos mejoran en la fase de validación respecto al modelo dependiente de la velocidad de la gota y del viento.En ambos tipos de aspersores (de cobertura total y de máquinas de riego) no se han observado diferencias significativas entre considerar una u otra distribución estadística de los tamaños de gotas, por tanto se recomienda usar la más sencilla.<br /

Characterization and simulation of a low-pressure rotator spray plate sprinkler used in center pivot irrigation systems

Spray sprinklers enable to operate at low pressures (<103 kPa) in self-propelled irrigation machines. A number of experiments were performed to characterize the water distribution pattern of an isolated rotator spray plate sprinkler operating at very low pressure under dierent experimental conditions. The experiments were performed under two pressures (69 kPa and 103 kPa) and in calm and windy conditions. The energy losses due to the impact of the out-going jet with the sprinkler plate were measured using an optical technique. The adequacy to reproduce the measured water distribution pattern under calm conditions of two drop size distribution models was evaluated. A ballistic model was used to simulate the water distribution pattern under wind conditions evaluating three different drag models: (1) considering solid spherical drops; (2) a conventional model based on wind velocity and direction distortion pattern, and (3) a new drag coeffcient model independent of wind speed. The energy losses measured with the optical method range from 20% to 60% from higher to lower nozzle sizes, respectively, for both evaluated working pressures analyzing over 16,500 droplets. For the drop size distribution selected, Weibull accurately reproduced the water application with a maximum root mean square error (RMSE) of 19%. Up to 28% of the RMSE could be decreased using the wind-independent drag coeffcient model with respect to the conventional model; the dierence with respect to the spherical model was 4%

Modelización de fertirrigación en redes de surcos

En XXVI Congreso Nacional de Riegos, Huesca, 24 a 26 de junio de 2008.El riego por surcos es uno de los sistemas más de riego más antiguos y más utilizados en el mundo. La simulación de la aplicación de fertilizantes disueltos en el agua (fertirrigación) en riego en redes de surcos es una herramienta que puede resultar muy útil para la optimización del riego. En este trabajo se presenta un modelo de simulación que incorpora las últimas novedades y refinamientos desarrollados en los últimos años tanto en los modelos de rozamiento, infliltración y difusión de solutos como en la resolución numérica y el tratamiento de las condiciones de contorno. Las propiedades matemáticas del modelo propuesto se demuestran en varios tests con solución analítica y en varios experimentos de fertirrigación en surcos. Además se presenta la aplicación del modelo para la optimización de la aplicación de fertilizante en fertirriego en surcos. La principal conclusión extraída es que con riego por surcos bien nivelados se puede lograr altas eficiencias y uniformidades de aplicación capaces de competir, para cultivos que se pueden adaptar a este sistema, con los más modernos sistemas de riego.Peer reviewe

A photographic method for drop characterization in agricultural sprinklers

42 Pags.- 1 Tabl.- 12 Figs. The defintive publication is available at: http://link.springer.com/journal/271The experimental data set used in the paper is OA available (http://hdl.handle.net/10261/127640)The characterization of drops resulting from impact sprinkler irrigation has been addressed by a number of techniques. In this article, a new technique based on low-speed photography (1/100 s) is presented and validated. The technique permits to directly measure drop diameter, velocity and angle. The photographic technique was applied to the characterization of drops resulting from an isolated sprinkler equipped with a 4.8 mm nozzle and operating at a pressure of 200 kPa. Sprinkler performance was characterized from photographs of 1,464 drops taken at distances ranging from 1.5 to 12.5 m. It was possible to analyze separately the drops emitted by the main jet and those emitted by the impact arm. The proposed technique does not require specific equipment, although it is labor intensive.This research was funded by the Plan Nacional de I+D+i of the Government of Spain, through grant AGL2007-66716-C03. Carlos Bautista received a scholarship from the Agencia Española de Cooperación Internacional (AECI).Peer reviewe

Numerical boundary conditions for globally mass conservative methods to solve the shallow-water equations and applied to river flow

44 Pag., 18 Fig., 4 Tabl. The definitive version is available at: http://www3.interscience.wiley.com/A revision of some well-known discretization techniques for the numerical boundary conditions in 1D shallow-water flow models is presented. More recent options are also considered in the search for a fully conservative technique that is able to preserve the good properties of a conservative scheme used for the interior points. Two conservative numerical schemes are used as representatives of the families of explicit and implicit numerical methods. The implementation of the different boundary options to these schemes is compared by means of the simulation of several test cases with exact solution. The schemes with the global conservation boundary discretization are applied to the simulation of a real river flood wave leading to very satisfactory results.Peer reviewe

SURCOS: A software tool to simulate irrigation and fertigation in isolated furrows and furrow networks

Pags.- 7 Tabls.- 15 Figs. The definitive version is available at: http://www.sciencedirect.com/science/journal/01681699A software tool useful for the numerical computation of surface irrigation and fertigation in furrows and furrow networks was developed. The model solves the complete one-dimensional St-Venant equations together with the transport equation of a passive solute. The flow equations and the solute advection are solved with a high resolution TVD explicit Eulerian scheme. The solute dispersion is solved with a centered implicit Eulerian scheme to avoid further restriction in the allowable time step. The computational speed of the model is high in isolated furrows. In cases of large furrow networks over extended irrigation times the model is slower but affordable computational speed is achieved. The computational model has been designed to be robust, intuitive and able to supply useful visual results. Both the executable and the source code, as well as the examples presented can be downloaded, edited and distributed under a BSD type license.Peer reviewe

Improving simple explicit methods for unsteady open channel and river flow

38 Pag., 14 Fig., 1 Appendix. The definitive version is available at: http://www3.interscience.wiley.com/A rigorous study of the explicit Lax-Friedrichs scheme for its application to one-dimensional shallow water flows is presented. The deficiencies of this method are identified and the way to overcome them are presented. It is compared to the explicit first order upwind scheme and to the explicit second order Lax-Wendroff scheme by means of the simulation of several test cases with exact solution. All three schemes in their best balanced version are applied to the simulation of a real river flood wave leading to very satisfactory results.Peer reviewe

Implicit schemes with large time step for non-linear equations: application to river flow hydraulics

41 Pags., 18 Figs, 2 Appendixes. The definitive version is available at: http://onlinelibrary.wiley.com/journal/10.1002/(ISSN)1097-0363In this work, first-order upwind implicit schemes are considered. The traditional tridiagonal scheme is rewritten as a sum of two bidiagonal schemes in order to produce a simpler method better suited for unsteady transcritical flows. On the other hand, the origin of the instabilities associated to the use of upwind implicit methods for shock propagations is identified and a new stability condition for non-linear problems is proposed. This modification produces a robust, simple and accurate upwind semi-explicit scheme suitable for discontinuous flows with high Courant–Friedrichs–Lewy (CFL) numbers. The discretization at the boundaries is based on the condition of global mass conservation thus enabling a fully conservative solution for all kind of boundary conditions. The performance of the proposed technique will be shown in the solution of the inviscid Burgers' equation, in an ideal dambreak test case, in some steady open channel flow test cases with analytical solution and in a realistic flood routing problem, where stable and accurate solutions will be presented using CFL values up to 100.Peer reviewe