Diseño y modelamiento hidráulico tridimensional de rápidas para velocidades mayores a 20 m/s

Abstract

La presente tesis, propone una alternativa de solución para reducir el fenómeno de cavitación en rápidas con altas velocidades mediante el uso de aireadores, comprobado analíticamente y mediante un modelamiento hidráulico tridimensional a través del Software ANSYS CFX – versión estudiantil, en el cual se observarán los esfuerzos cortantes en la rápida antes y después de la incorporación del aireador. Se diseñó una rápida prototipo con el diseño propuesto del USBR del libro “Design of Small Canal Structures” y de Máximo Villón del libro “Estructuras Hidráulicas”, a lo que mayormente se utiliza la ecuación de la energía para el cálculo de cada variable. Las rápidas, a diferencia de un canal abierto común, tienen una mayor velocidad del agua debido a su pendiente pronunciada, por lo tanto, se generará un fenómeno llamado “cavitación” que causará esfuerzos cortantes, que, conforme transcurra el tiempo, erosionará las paredes del fondo de nuestro canal. Como siguiente paso se calculó el índice de cavitación en diferentes secciones de la rápida con el fin de tener la ubicación de las secciones críticas (siempre y cuando la velocidad del flujo sea mayor que 20 m/s) donde se de este fenómeno y se necesite la incorporación de un aireador. Para el diseño de los aireadores, nos hemos basado en diferentes referencias bibliográficas, siendo la principal del USBR del libro “Cavitation in chutes and spillways”, el cual nos da los conceptos básicos del diseño de un aireador. Para su diseño, se optó por considerar un aireador tipo rampa con ducto de aire en la pared lateral de la rápida, se determinó en que zonas se ubicarán los aireadores, y se determinó la capacidad de entrada de aire para el correcto funcionamiento de los aireadores. Para la comprobación de todos los resultados analíticos, se realizaron los modelamientos hidráulicos 3D en el software ANSYS CFX. La modelación hidráulica en ANSYS CFX se determinó de la siguiente manera: • Se ha definido la geometría de la estructura en ANSYS, basado en los valores geométricos hallados en el cálculo analítico, las cuales deben ser volúmenes cerrados para la detección del software. IX • A partir de la geometría elaborada, se realizó el enmallado de la estructura, de la cual se escogió un enmallado tetraédrico al tener la ventaja de un buen acople a la estructura plana y curva. Asimismo, se evaluó la calidad del elemento, la buena relación de aspecto y oblicuidad. • Finalmente, se definieron las condiciones de borde de la rápida (fondo de la rápida, paredes de la rápida, ingreso y salida del flujo) con sus respectivos parámetros, para la computación respectiva. Como primer paso se modeló la rápida sin aireadores con el fin de verificar los resultados analíticos, visualizar el comportamiento del flujo de la rápida en 3D y verificar los esfuerzos cortantes en las paredes de fondo de la estructura producidos por la cavitación. Como segundo paso se modeló la rápida con aireadores (flujo bifásico de agua + aire) con el fin de verificar la eficacia de los aireadores en reducir considerablemente la cavitación. Finalmente, se determinó que los esfuerzos cortantes causados por la cavitación en el fondo o base de la estructura han disminuido entre 60 % y 81 % en las secciones más críticas (rápida, trayectoria y rampa), y, entre 38% y 98% en las secciones donde es despreciable la cavitación (poza amortiguadora y canal de salida – aguas abajo), y, de esta manera, se asegura la eficacia de los aireadores y su importancia en la prevención de la cavitación en estructuras hidráulicas

This thesis proposes an alternative solution to reduce the cavitation phenomenon in rapids with high velocities through the use of aerators, verified analytically and by means of a three-dimensional hydraulic modeling through the ANSYS CFX software - student version, in which the shear forces in the rapid before and after the incorporation of the aerator will be observed. A prototype rapid was designed with the design proposed by USBR from the book ““Design of Small Canal Structures““ and by Máximo Villón from the book ““Hydraulic Structures““, to which the energy equation is mostly used for the calculation of each variable. The rapids, unlike a common open channel, have a higher water velocity due to its steep slope, therefore, it will generate a phenomenon called ““cavitation““ that will cause shear stresses, which, as time goes by, will erode the walls of the bottom of our channel. The next step was to calculate the cavitation index in different sections of the rapid in order to determine the location of the critical sections (as long as the flow velocity is greater than 20 m/s) where this phenomenon occurs and the incorporation of an aerator is necessary. For the design of the aerators, we have relied on different bibliographic references, the main one being the USBR from the book ““Cavitation in chutes and spillways““, which gives us the basic concepts of the design of an aerator. For its design, we chose to consider a ramp type aerator with air duct in the side wall of the rapid, we determined in which zones the aerators will be located, and we determined the air inlet capacity for the correct operation of the aerators. For verification of all the analytical results, 3D hydraulic modeling was performed in ANSYS CFX software. The hydraulic modeling in ANSYS CFX was determined as follows: • The geometry of the structure was defined in ANSYS, based on the geometric values found in the analytical calculation, which should be closed volumes for software detection. • From the elaborated geometry, the meshing of the structure was carried out, from which a tetrahedral meshing was chosen as it has the advantage of a XI good coupling to the flat and curved structure. Likewise, the quality of the element, the good aspect ratio and obliquity were evaluated. • Finally, the boundary conditions of the rapid (bottom of the rapid, walls of the rapid, inlet and outlet of the flow) were defined with their respective parameters, for the respective computation. As a first step, the rapid was modeled without aerators in order to verify the analytical results, visualize the flow behavior of the rapid in 3D and verify the shear stresses in the bottom walls of the structure produced by cavitation. As a second step, the rapid was modeled with aerators (two-phase flow of water + air) in order to verify the effectiveness of the aerators in considerably reducing cavitation. Finally, it was determined that the shear stresses caused by cavitation at the bottom or base of the structure have decreased between 60% and 81% in the most critical sections (rapid, trajectory and ramp), and between 38% and 98% in the sections where cavitation is negligible (stilling pool and outlet channel - downstream), thus ensuring the effectiveness of the aerators and their importance in preventing cavitation in hydraulic structures