Diseño y modelamiento hidráulico tridimensional de rápidas para velocidades mayores a 20 m/s - Calderón Pereda, André Alonso (2024)
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