Modelamiento numérico bidimensional del flujo hiperconcentrado

Abstract

El Perú no es ajeno a los flujos de huaycos y anualmente ocurren estos eventos en distintas regiones del país produciendo daños materiales y pérdidas humanas. En ese contexto, el estudio y modelamiento de flujos hiperconcentrados (flujos con concentración volumétrica de sedimentos mayor a 20%) permite efectuar un análisis más consistente y confiable en la estimación de parámetros de diseño para medidas de protección. La presente investigación, elabora un programa MUDCP2D n entorno Matlab del modelamiento numérico bidimensional del flujo hiperconcentrado con características de un flujo viscoso transitado sobre un canal a distintas pendientes que se deposita sobre una plataforma. La metodología aplicada comprende la revisión del modelo conceptual de aguas pocas profundas de Saint-Venant en su forma conservativa, la discusión de las ecuaciones gobernantes de los flujos hiperconcentrados, la revisión de la técnica de integración numérica para la resolución de las ecuaciones gobernantes, la aplicación de esquema de MacCormack, el planteamiento y definición del dominio computacional así como el tratamiento de las condiciones de contorno iniciales y las condiciones de borde sobre el dominio computacional. Finalmente, se obtiene el programa MUDCP2D para la validación con la base de datos experimentales Quisca (1995). Un paso siguiente fue el análisis de distintos escenarios para diferentes pendientes y viscosidades del flujo hiperconcentrado con la finalidad de evaluar la sensibilidad del programa MUDCP2D. Se simulan 13 escenarios, de los cuales 4 corresponden a flujo de agua y 9 a flujo hiperconcentrado. La altura inicial del flujo para todos los escenarios propuestos es de 4 m en una longitud de muestra de 50 m y una longitud de tránsito de canal de 200 m. La plataforma al final de tramo es cuadrada de 30 m de longitud y pendiente cero. Los resultados del proceso son tirantes y velocidades máximas en tramo de canal y deposición en plataforma.

Peru is not oblivious to the debris flows and these events occur annually in different regions of the country, causing material damage and human losses. In this context, the study and modeling of hyperconcentrated flows (flows with volumetric concentration of sediments greater than 20%) allows a more consistent and reliable analysis to be made in the estimation of design parameters for protection measures. The present investigation elaborates a MUDCP2D software in Matlab language of twodimensional numerical modeling of the hyper-concentrated flow with characteristics of a viscous flow transited on a channel to different slopes that is deposited on a platform. The applied methodology includes the revision of the conceptual model of shallow waters of Saint-Venant in its conservative form, the discussion of the governing equations of the hyper-concentrated flows, the revision of the technique of numerical integration for the resolution of the governing equations, the MacCormack schema application, the approach and definition of the computational domain as well as the treatment of initial boundary conditions and edge conditions over the computational domain. Finally, the MUDCP2D software is obtained for the validation with the experimental database of Quisca (1995). A next step was the analysis of different scenarios for different slopes and dynamic viscosities of the hyper-concentrated flow in order to evaluate the sensitivity of the MUDCP2D software. Thirteen scenarios are simulated, of which four correspond to water flow and nine to hyper-concentrated flow. The initial height of the flow for all proposed scenarios is 4 m for a sample length of 50 m and a channel transit length of 200 m. The platform at the end of the section is square with a length of 30 m and a zero slope. The results of the process are heights and velocities maximum in channel section and platform deposition.