Simulación hidráulica de fluido no newtoniano bajo el modelo reológico de O’Brien

Abstract

El presente estudio tiene como objetivo principal simular hidráulicamente el comportamiento de un flujo no newtoniano, utilizando el modelo reológico cuadrático propuesto por O’Brien, en el contexto de las quebradas del distrito de Ascope, región La Libertad. Estas zonas, severamente afectadas por eventos extremos como el Fenómeno El Niño Costero, presentan condiciones propicias para la generación de flujos hiperconcentrados, los cuales representan una amenaza tanto para la infraestructura como para la vida humana. Para alcanzar dicho objetivo, se desarrolló un modelo hidráulico bidimensional en el software HEC-RAS, incorporando parámetros reológicos como la concentración volumétrica de sólidos, el esfuerzo de cedencia, la viscosidad dinámica y el tamaño representativo de partícula. La topografía fue obtenida mediante un levantamiento LIDAR de alta resolución, y se definió un dominio computacional adecuado a través de la discretización en mallas no estructuradas. Se realizó un análisis de sensibilidad respecto a la concentración volumétrica y se calibró el modelo con base en los rastros dejados por los flujos durante el evento El Niño 2017. Los resultados indican que el modelo de O’Brien representa con alta fidelidad el comportamiento de estos flujos, permitiendo identificar zonas críticas y estimar variables hidráulicas clave. Para el evento asociado al Fenómeno El Niño (FEN) 2017, se obtuvieron tirantes máximos de 1.8 m y velocidades máximas de 5.39 m/s, mientras que en el escenario con un periodo de retorno de 100 años (TR = 100), los tirantes máximos alcanzaron 1.6 m y las velocidades llegaron a 3.81 m/s. Esta información resulta esencial para la planificación de medidas de prevención y mitigación en zonas vulnerables.The main objective of this study is to hydraulically simulate the behavior of a non Newtonian flow using the quadratic rheological model proposed by O’Brien, within the context of the gullies located in the Ascope district, La Libertad region, Peru. These areas, severely affected by extreme events such as the Coastal El Niño phenomenon, present favorable conditions for the generation of hyper concentrated flow, which pose significant threats to infrastructure and human life. To achieve this objective, a two-dimensional hydraulic model was developed using the HEC RAS software, incorporating rheological parameters such as solid volumetric concentration, yield stress, dynamic viscosity, and representative particle size. The topographic data were obtained from a high-resolution LIDAR survey, and an appropriate computational domain was defined through discretization using unstructured meshes. A sensitivity analysis was performed regarding solid volumetric concentration, and the model was calibrated based on the traces left by the flows during the 2017 El Niño event. The results indicate that O’Brien’s model accurately reproduces the behavior of such flows, allowing for the identification of critical zones and the estimation of key hydraulic variables. For the 2017 Coastal El Niño event, maximum flow depths of 1.8 m and maximum velocities of 5.39 m/s were obtained. For the 100-year return period scenario (TR = 100), the maximum flow depths reached 1.6 m and the velocities up to 3.81 m/s. This information is essential for the planning of preventive and mitigation measures in vulnerable areas.