Modelamiento numérico ANSYS Fluent, para la evaluación del perfil hidráulico en un vertedero tipo Ogee en canal de pendiente variable - UNALM

Abstract

La gestión inadecuada de los recursos hídricos en diversas áreas de nuestro país genera pérdidas económicas y sociales significativas, especialmente en los sectores de irrigación y abastecimiento urbano. El crecimiento poblacional ha incrementado la demanda de transporte eficiente de agua para consumo humano, generación hidroeléctrica y uso agrícola. En este contexto, el diseño de canales hidráulicos es crucial para gestionar los recursos de manera eficiente. Para asegurar el funcionamiento adecuado de estas estructuras, es esencial investigar las características hidráulicas del canal y medir las condiciones de flujo de manera precisa. El vertedero tipo Ogee, utilizado en el control del flujo de agua, permite la transición del flujo hacia una descarga supercrítica, generando alta energía en el flujo de salida, lo que puede causar daños estructurales si no se maneja adecuadamente. El análisis de las presiones negativas en el perfil del vertedero, que pueden inducir cavitación y afectar la estabilidad estructural, es clave para optimizar su diseño. Este estudio tiene como objetivo realizar simulaciones numéricas y experimentales del flujo en un canal de pendiente variable, evaluando la presión, la velocidad y los tirantes para diferentes caudales y pendientes. Se busca determinar los coeficientes de descarga del vertedero tipo Ogee experimentalmente y desarrollar un modelo numérico con CFD ANSYS Fluent, validando este modelo mediante la comparación con los resultados experimentales. La combinación de métodos experimentales y simulación numérica permitirá una simulación precisa de las condiciones de flujo en canales abiertos y estructuras hidráulicas, brindando herramientas eficaces para el diseño y optimización de vertederos tipo Ogee.

The inadequate management of water resources in various areas of our country causes significant economic and social losses, especially in the irrigation and urban water supply sectors. Population growth has increased the demand for efficient water transport for human consumption, hydroelectric generation, and agricultural use. In this context, the design of hydraulic channels is crucial for managing resources efficiently. To ensure the proper functioning of these structures, it is essential to investigate the hydraulic characteristics of the channel and accurately measure flow conditions. The Ogee weir, used in flow control, allows the flow to transition to a supercritical discharge, generating high energy in the outflow, which can cause structural damage if not managed properly. The analysis of negative pressures in the weir profile, which may induce cavitation and affect structural stability, is key to optimizing its design. This study aims to perform numerical and experimental simulations of flow in a variable slope channel, evaluating pressure, velocity, and water depth for different discharges and slopes. The goal is to experimentally determine the discharge coefficients of the Ogee weir and develop a numerical model using CFD ANSYS Fluent, validating this model by comparing it with experimental results. The combination of experimental methods and numerical simulation will enable precise simulation of flow conditions in open channels and hydraulic structures, providing effective tools for the design and optimization of Ogee weirs.