Validación de un modelo CFD para la predicción de la dinámica de la superficie libre en resaltos hidráulicos

Abstract

Los resaltos hidráulicos son fenómenos fundamentales en la ingeniería hidráulica, caracterizados por la transición de un flujo supercrítico a uno subcrítico, acompañada de una disipación significativa de energía y una intensa incorporación de aire. Estos procesos son relevantes en el diseño de estructuras de disipación de energía, como aliviaderos y cuencos de amortiguación, así como en aplicaciones ambientales, donde la transferencia de gases y la calidad del agua juegan un papel crucial. Sin embargo, la complejidad de las interacciones aire-agua y la naturaleza altamente turbulenta del flujo hacen que la modelación numérica de estos fenómenos sea un desafío considerable. Este trabajo valida un modelo numérico basado en ecuaciones RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) para predecir la dinámica de la superficie libre en resaltos hidráulicos, comparando los resultados con datos experimentales. El estudio se enmarca dentro de un análisis más amplio sobre la incorporación de aire en flujos aire-agua, un fenómeno multiescala con interacciones complejas entre turbulencia, estructuras de flujo y burbujas. Estas interacciones hacen que las modelaciones mediante CFD (Dinámica de Fluidos Computacional) sean computacionalmente demandantes. En este contexto, un modelo RANS ofrece una alternativa eficiente para capturar el fenómeno con un costo computacional significativamente menor en comparación con enfoques como las simulaciones SRS (Scale-Resolving Simulation). Las simulaciones numéricas abarcan números de Froude (Fr) entre 2.4 y 7.5, cubriendo una amplia variedad de condiciones de flujo, desde resaltos débiles hasta altamente turbulentos. Aunque las configuraciones geométricas y las condiciones de flujo difieren entre los casos numéricos y experimentales, la adimensionalización de los resultados y su análisis en términos del número de Froude permiten una validación robusta y generalizable del modelo.