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

Abstract

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.