Caracterización experimental y simulación numérica de procesos tridimensionales de alta turbulencia en capas de mezcla: resalto sumergido

El resalto hidráulico es un fenómeno de escurrimiento a superficie libre rápidamente variado que surge en la transición entre un flujo supercrítico y un flujo subcrítico. Cuando el tirante conjugado de ingreso se sumerge, tiene lugar un caso distintivo de resalto que trae como consecuencia la aparición de dos vórtices verticales y una caída abrupta de la entrada de aire. Estas dos estructuras coherentes, junto con el torbellino de eje horizontal que es propio de todos los resaltos, convierten al resalto sumergido en un proceso de alta turbulencia tridimensional. La presente tesis tiene como finalidad caracterizar el flujo turbulento en resaltos hidráulicos sumergidos aguas abajo de una compuerta plana, utilizando métodos experimentales y simulaciones numéricas tipo CFD. El objetivo principal de esta investigación es analizar características esencialmente tridimensionales que no han sido tenidas en cuenta en estudios previos. A tales fines, se generó un nuevo conjunto de datos experimentales que incluye el campo de velocidades medias, la energía cinética turbulenta y las tensiones de Reynolds en el interior del resalto. Las mediciones, realizadas a partir de técnicas de velocimetría acústica Doppler (ADV) y de velocimetría por seguimiento de partículas (PTV) en un canal de laboratorio, abarcan un rango amplio de números de Froude incidentes Fr1 (2.0, 3.0, 4.0 y 5.0) y de índices de sumergencia S (2.3 a 0.2). Se presenta un estudio integral de las estructuras coherentes verticales que se forman inmediatamente aguas abajo de la compuerta plana. Se dedica un apartado especial a estudiar la longitud del resalto sumergido a partir de la evolución de la energía cinética turbulenta. Asimismo, se realizaron simulaciones numéricas LES-NWM y RANS para predecir el comportamiento del resalto sumergido para la condición Fr1 = 2.0 y S = 1.0. Se demuestra que la simulación LES-NWM es la única que permite captar las estructuras vorticosas cercanas a la compuerta, incluyéndose para su validación mediciones experimentales de parámetros medios del escurrimiento y espectros de energía de las fluctuaciones de velocidad. Sobre la base del muy buen acuerdo entre los resultados numéricos y experimentales, se propone una caracterización de la dinámica interna del resalto a partir del análisis espectral de las variables fundamentales del escurrimiento (velocidad, presión y altura de la superficie libre). En particular, se ha estudiado el desprendimiento de la capa límite en el fondo del canal aportando evidencias sobre las causas que dan origen a este fenómeno y sus consecuencias. Aunque la mayor parte de esta tesis se enmarca dentro de la mecánica de fluidos básica, sus implicaciones se extienden mucho más allá y contribuyen a la comprensión de un fenómeno de particular relevancia en la ingeniería hidráulica, como lo demuestra el uso extensivo de resaltos hidráulicos como disipadores de energía.Hydraulic jumps are rapidly varied free-surface flow phenomena that arise at the transition from supercritical to subcritical flow. The distinct occurrence of hydraulic jumps when the inlet sequent depth is submerged gives rise to two vertical vortices and an abrupt drop of the air intake. Along with the horizontal roller that is common to all jumps, these two distinct coherent structures turn the submerged jump into a fully three-dimensional high turbulence process. The present thesis aims at characterizing the turbulent flow in submerged hydraulic jumps downstream of a sluice gate by means of experimental methods and computational fluid dynamics (CFD) simulations. The main goal of this research is to analyze essential three-dimensional characteristics that have not been considered in previous studies. A new set of experimental data was produced, including mean velocities, turbulent kinetic energy and Reynolds stresses. Experimental measurements were obtained using acoustic Doppler velocimetry (ADV) and particle tracking velocimetry (PTV) techniques in a laboratory flume under scenarios that span over a wide range of incident Froude numbers, Fr1 (2.0, 3.0, 4.0 and 5.0), and submergence factors, S (from 0.2 to 2.3). A comprehensive evaluation of the vertical coherent structures that form immediately downstream of the sluice gate is presented. An entire section is devoted to the analysis of the submerged jump length, based on the turbulent kinetic energy evolution. Both LES-NWM and RANS numerical simulations of the behavior of a submerged jump for Fr1 =2:0 and S=1:0 were performed. It was found that only the LES-NWM simulation was able to capture the vortical structures near the gate. The simulation was validated by experimental measurements of mean flow parameters and velocity power spectra. On the basis of the very good agreement between the numerical and experimental results, a characterization of the internal roller dynamics is presented from the spectral analysis of the main flow variables (velocity, pressure and free surface depth). In particular, the boundary layer separation at the bottom of the flume was studied, providing evidence on the causes that give rise to this phenomenon and its consequences. Even though the bulk of this thesis belongs to basic Fluid Mechanics, its implications extend well beyond and contribute to the understanding of a flow phenomenon of particular relevance in hydraulic engineering, as evidenced by the extensive use of hydraulic jumps as energy dissipators.Facultad de Ingenierí

Aprovechamientos hidroeléctricos del río Santa Cruz

Los Aprovechamientos Hidroeléctricos del río Santa Cruz (AHRSC), ubicados en la provincia homónima, son un viejo anhelo del interés energético argentino, postergados por diferentes motivos a lo largo de los años. El complejo hidroeléctrico, actualmente en construcción, está conformado por dos presas, denominadas Presidente Dr. Néstor Carlos Kirchner (NK, ex Cóndor Cliff) y Gobernador Jorge Cepernic (JC, ex La Barrancosa). Estas represas constituyen la Obra Pública más importante en ejecución por parte del Estado Nacional, y se trata del proyecto más grande en el extranjero financiado por la República Popular China. El inicio de las obras en el año 2015 marcó el cierre de un ciclo que implicó varios intentos y adaptaciones del proyecto a lo largo de la historia. Las obras han enfrentado desafíos técnicos y ambientales a lo largo de su desarrollo y representan un paso significativo en la diversificación de la matriz energética del país. Las represas Néstor Kirchner y Jorge Cépernic permitirán un desarrollo sostenible de la región y aportarán un poco más de 5.000 GWh/año, equivalentes al 5 % por ciento de la energía que consume el país. Contar con un gran complejo hidroeléctrico en el extremo sur, conformado por dos centrales hidroeléctricas en Santa Cruz, permite que en el Sistema Argentino de Interconexión (SADI), desde el sur hacia el norte, puedan conectarse otros parques energéticos como los eólicos y solares. Esto va a permitir un gran desarrollo de la Patagonia a mediano plazo. El proyecto concebido para la licitación, como es dable esperar, se ha ido modificando conforme a la profundización del conocimiento geológico, geotécnico, ambiental, hidráulico e hidrológico, llevando cada modificación a soluciones técnicas/científicas que permitan superar los inconvenientes suscitados. En este artículo se realiza una descripción general de cada uno de los proyectos que conforman los AHRSC, así como también, las principales modificaciones efectuadas durante la construcción de los mismos para atender a los requerimientos ambientales. Finalmente, se presenta el estado actual de la construcción de las obras.Academia de la Ingeniería de la provincia de Buenos Aire

Modelación numérica del ingreso de flotantes superficiales en la toma de centrales hidroeléctricas

El salto energético disponible por las turbinas en las centrales hidroeléctricas es afectado por obstrucciones que pueden darse en las rejas de toma debido a la presencia de basura o elementos flotantes en el embalse que fueron conducidos hasta allí. En la etapa de diseño de la central, conocer anticipadamente cómo será el desplazamiento de los flotantes, ayudará a elegir un método y sistema de limpieza de rejas adecuado para que esta pérdida de energía se mínima, ya que ello se traduce en una disminución de los ingresos por generación. En el presente trabajo se evalúa mediante modelación numérica el ingreso de flotantes en superficie a la toma de las turbinas de la ampliación de una central hidroeléctrica. En la primera fase se valida la modelación numérica del funcionamiento de la central actual y luego se evalúa el funcionamiento de dos alternativas de diseño de obra de toma. Los resultados obtenidos indican cual es la zona preferencial de acumulación de flotantes y predicen que el cambio del patrón de escurrimiento actual resultará en una reducción de flotantes en la central existente.The head available by hydraulic turbines at hydroelectric power stations is affected by blockage at the trash racks due to the presence of debris floating on the reservoir that has been drift there. At the power station design stage, to know in advance how the floating elements are going to move will contribute to select the most adequate method and system of trash racks cleaning in order to minimize the energy loss, taking into account that this fact means a decrease of generation incomes. In the present work is evaluated the entrance to the turbine intake of floating debris near the free surface by means of numerical model simulations. The intake belongs to an expansion project of a power station. As a first step, it was modeled the current state of the power station in order to validate the numerical simulations, next it has been modeled two design alternatives of the power intake. The obtained results indicated the preferential deposition zones of floating debris and also indicated that the current flow pattern will reduce debris presence at the existing power station.Facultad de Ingeniería (FI

Modelación numérica del ingreso de flotantes superficiales en la toma de centrales hidroeléctricas

El salto energético disponible por las turbinas en las centrales hidroeléctricas es afectado por obstrucciones que pueden darse en las rejas de toma debido a la presencia de basura o elementos flotantes en el embalse que fueron conducidos hasta allí. En la etapa de diseño de la central, conocer anticipadamente cómo será el desplazamiento de los flotantes, ayudará a elegir un método y sistema de limpieza de rejas adecuado para que esta pérdida de energía se mínima, ya que ello se traduce en una disminución de los ingresos por generación. En el presente trabajo se evalúa mediante modelación numérica el ingreso de flotantes en superficie a la toma de las turbinas de la ampliación de una central hidroeléctrica. En la primera fase se valida la modelación numérica del funcionamiento de la central actual y luego se evalúa el funcionamiento de dos alternativas de diseño de obra de toma. Los resultados obtenidos indican cual es la zona preferencial de acumulación de flotantes y predicen que el cambio del patrón de escurrimiento actual resultará en una reducción de flotantes en la central existente.The head available by hydraulic turbines at hydroelectric power stations is affected by blockage at the trash racks due to the presence of debris floating on the reservoir that has been drift there. At the power station design stage, to know in advance how the floating elements are going to move will contribute to select the most adequate method and system of trash racks cleaning in order to minimize the energy loss, taking into account that this fact means a decrease of generation incomes. In the present work is evaluated the entrance to the turbine intake of floating debris near the free surface by means of numerical model simulations. The intake belongs to an expansion project of a power station. As a first step, it was modeled the current state of the power station in order to validate the numerical simulations, next it has been modeled two design alternatives of the power intake. The obtained results indicated the preferential deposition zones of floating debris and also indicated that the current flow pattern will reduce debris presence at the existing power station.Facultad de Ingeniería (FI

Modelación numérica del ingreso de flotantes superficiales en la toma de centrales hidroeléctricas

El salto energético disponible por las turbinas en las centrales hidroeléctricas es afectado por obstrucciones que pueden darse en las rejas de toma debido a la presencia de basura o elementos flotantes en el embalse que fueron conducidos hasta allí. En la etapa de diseño de la central, conocer anticipadamente cómo será el desplazamiento de los flotantes, ayudará a elegir un método y sistema de limpieza de rejas adecuado para que esta pérdida de energía se mínima, ya que ello se traduce en una disminución de los ingresos por generación. En el presente trabajo se evalúa mediante modelación numérica el ingreso de flotantes en superficie a la toma de las turbinas de la ampliación de una central hidroeléctrica. En la primera fase se valida la modelación numérica del funcionamiento de la central actual y luego se evalúa el funcionamiento de dos alternativas de diseño de obra de toma. Los resultados obtenidos indican cual es la zona preferencial de acumulación de flotantes y predicen que el cambio del patrón de escurrimiento actual resultará en una reducción de flotantes en la central existente.The head available by hydraulic turbines at hydroelectric power stations is affected by blockage at the trash racks due to the presence of debris floating on the reservoir that has been drift there. At the power station design stage, to know in advance how the floating elements are going to move will contribute to select the most adequate method and system of trash racks cleaning in order to minimize the energy loss, taking into account that this fact means a decrease of generation incomes. In the present work is evaluated the entrance to the turbine intake of floating debris near the free surface by means of numerical model simulations. The intake belongs to an expansion project of a power station. As a first step, it was modeled the current state of the power station in order to validate the numerical simulations, next it has been modeled two design alternatives of the power intake. The obtained results indicated the preferential deposition zones of floating debris and also indicated that the current flow pattern will reduce debris presence at the existing power station.Facultad de Ingeniería (FI

Physical Modeling and CFD Comparison: Case Study of a Hydro-Combined Power Station in Spillway Mode

ABSTRACT: This study presents comparisons between the results of a commercial CFD code and physical model measurements. The case study is a hydro-combined power station operating in spillway mode for a given scenario. Two turbulence models and two scales are implemented to identify the capabilities and limitations of each approach and to determine the selection criteria for CFD modeling for this kind of structure. The main flow characteristics are considered for analysis, but the focus is on a fluctuating frequency phenomenon for accurate quantitative comparisons. Acceptable representations of the general hydraulic functioning are found in all approaches, according to physical modeling. The k-ε RNG, and LES models give good representation of the discharge flow, mean water depths, and mean pressures for engineering purposes. The k-ε RNG is not able to characterize fluctuating phenomena at a model scale but does at a prototype scale. The LES is capable of identifying the dominant frequency at both prototype and model scales. A prototype-scale approach is recommended for the numerical modeling to obtain a better representation of fluctuating pressures for both turbulence models, with the complement of physical modeling for the ultimate design of the hydraulic structures

Caracterización experimental y simulación numérica de flujos de alta turbulencia: resalto sumergido

Uno de los objetivo de esta investigación es aportar al conocimiento del flujo turbulento del resalto sumergido a partir de mediciones experimentales de velocidad, analizando la influencia de la sumergencia y el número de Froude en los fenómenos turbulentos. Por otro lado, se pretende evaluar el grado de aproximación que es posible obtener con simulaciones numéricas de diferentes características en dos y tres dimensiones en un flujo altamente turbulento y tridimensional.Publicado en Terceras Jornadas de Investigación, Transferencia y Extensión. La Plata : Universidad Nacional de La Plata, 2015.Facultad de Ingenierí

Caracterización experimental y simulación numérica de flujos de alta turbulencia: resalto sumergido

Uno de los objetivo de esta investigación es aportar al conocimiento del flujo turbulento del resalto sumergido a partir de mediciones experimentales de velocidad, analizando la influencia de la sumergencia y el número de Froude en los fenómenos turbulentos. Por otro lado, se pretende evaluar el grado de aproximación que es posible obtener con simulaciones numéricas de diferentes características en dos y tres dimensiones en un flujo altamente turbulento y tridimensional.Publicado en Terceras Jornadas de Investigación, Transferencia y Extensión. La Plata : Universidad Nacional de La Plata, 2015.Facultad de Ingenierí

Caracterización experimental y simulación numérica de flujos de alta turbulencia: resalto sumergido

Uno de los objetivo de esta investigación es aportar al conocimiento del flujo turbulento del resalto sumergido a partir de mediciones experimentales de velocidad, analizando la influencia de la sumergencia y el número de Froude en los fenómenos turbulentos. Por otro lado, se pretende evaluar el grado de aproximación que es posible obtener con simulaciones numéricas de diferentes características en dos y tres dimensiones en un flujo altamente turbulento y tridimensional.Publicado en Terceras Jornadas de Investigación, Transferencia y Extensión. La Plata : Universidad Nacional de La Plata, 2015.Facultad de Ingenierí

Modelación numérica del descargador de fondo de la represa Jorge Cepernic

La seguridad de las presas de embalse en un punto crítico requieren su atención en la etapa de construcción, llenado, operación y mantenimiento. Es por este motivo que se instala descargadores de fondo (DF) diseñados para poder realizar el vaciado del embalse sin importar el nivel en el mismo, con el objetivo de realizar tareas de mantenimiento, limpieza de sedimentos, control de crecidas entre otros. Dada su importancia es preciso conocer el funcionamiento hidráulico de los DF y por este motivo en este trabajo se realiza una simulación numérica en bidimensional para estudiar el funcionamiento hidrodinámico aislado, del descargador de fondo de la Represa Jorge Cepernic (JC). El DF cuenta con 3 vanos, cada vano consta de dos orificios de descarga de sección rectangular de 3 x 4 m. El desarrollo lineal del DF se divide en 5 zonas de interés para el análisis del comportamiento hidrodinámico: • Zona de aducción. • Cámara a presión. • Cámara a descarga. • Curva de descarga • Cuenco disipador de energía-Inicio de restitución. El objetivo de este trabajo es evaluar mediante modelación numérica el funcionamiento hidrodinámico aislado en 2D de un orificio del DF del proyecto hidroeléctrico Jorge Cepernic y compararlos con los resultados obtenidos en modelo físico.Facultad de Ingenierí