Modelamiento numérico - 3D aplicando el método volumen finito para evaluar el comportamiento hidráulico del aliviadero de la presa Apu Sullcan

Abstract

El presente trabajo de investigación tiene por objetivo evaluar el comportamiento hidráulico del aliviadero de la Presa Apu Sullcan bajo condiciones de un caudal de avenida correspondiente a un periodo de retorno de 1 000 años, utilizando el modelo OpenFOAM. La metodología se basa en la dinámica de fluidos computacional (CFD) aplicando el método de volumen finito. En la primera fase del trabajo se realizó el análisis hidrológico de la subcuenca, procesando los datos de Ppmáx24hr de 10 estaciones pluviométricas ubicadas en la periferia de la subcuenca. Se realiza el análisis de datos dudosos por la metodología de Water Source Council eliminado valores atípicos de 3 estaciones asegurando la calidad de los datos. Se llevo a cabo un análisis de frecuencia de las Ppmáx24hr, aplicando función de distribuciones con el fin de encontrar la distribución que mejor se ajusta a los datos de Ppmáx24hr y poder calcular la precipitación para un periodo de retorno de 1 000 años. Se construye una tormenta de diseño, generando la curva Intensidad – Duración – Frecuencia a partir del cual se desarrolló el hietograma de Ppmáx24hr para estimar la escorrentía. Posteriormente, se calculó el caudal de avenida mediante el modelo hidrológico HEC-HMS, obteniendo un caudal pico de 11.1 m3 /s y tras su tránsito en la presa el caudal se reduce a 2.63 m3 /s, este caudal será usado en la simulación del aliviadero. En la segunda fase, se lleva a cabo la simulación numérica del aliviadero. A partir del levantamiento topográfico y los planos de la estructura, se desarrolla el modelo conceptual del aliviadero y se define el dominio computacional. Para optimizar el uso de recursos computacionales y tiempo, se ha segmentado el dominio total en 6 subdominios, permitiendo realizar una simulación por etapas (es decir las condiciones de una primera simulación sirve como condiciones de entrada de la siguiente simulación). Se genero el mallado con un tamaño de 5 cm y obteniendo un total 4 135 868 celdas. Se aplicaron una malla estructura en zonas simple y una malla hidria en una zona compleja. Posteriormente, se define la configuración de las condiciones de frontera, las propiedades físicas de los fluidos y parámetros como el numero Courant, modelo de turbulencia, solver y otros. Durante el desarrollo de la simulación se monitorea la convergencia de las soluciones mediante los residuos en cada iteración. Residuos con valores menores a 0.001 asegura la estabilidad y precisión de los resultados. Los resultados nos brindaron la distribución de la velocidad, presión y disipación de energía en el aliviadero. Se determinó que el nivel de agua en ningún punto supera la altura de los muros, evitando riesgos de desbordamiento. La simulación demostró que el aliviadero de la presa Apu Sullcan es hidráulicamente funcional para evacuar el caudal de avenida sin correr riesgo de desborde.The objective of this research is to evaluate the hydraulic behavior of the spillway of the Apu Sullcan Dam under flood flow conditions corresponding to a 1,000-year return period, using the OpenFOAM model. The methodology is based on Computational Fluid Dynamics (CFD), applying the finite volume method. In the first phase of the study, a hydrological analysis of the sub-basin was conducted, processing 24-hour maximum precipitation (Ppmáx24hr) data from ten rain gauge stations located around the basin. A data quality analysis was performed using the Water Source Council methodology, eliminating outliers from three stations, ensuring the reliability of the dataset. A frequency analysis of Ppmáx24hr was carried out, applying probability distribution functions to determine the best-fitting distribution for precipitation data and to calculate the 1,000-year return period precipitation. A design storm was constructed, generating the Intensity-Duration-Frequency (IDF) curve, from which the 24-hour maximum precipitation hyetograph was developed to estimate runoff. Subsequently, the flood flow was calculated using the HEC-HMS hydrological model, obtaining a peak flow of 11.1 m³/s, which was reduced to 2.63 m³/s after passing through the dam. This flow rate was used for the spillway simulation. In the second phase, the numerical simulation of the spillway was carried out. Based on topographic surveys and structure plans, the conceptual model of the spillway was developed, and the computational domain was defined. To optimize computational resources and simulation time, the total domain was divided into six subdomains, allowing a staged simulation approach, where the results of the first simulation serve as input conditions for the next. A 5 cm mesh was generated, resulting in a total of 4,135,868 cells. A structured mesh was applied in simple geometry zones, while a hybrid mesh was used in complex areas. Subsequently, boundary conditions, fluid physical properties, and numerical parameters, such as the Courant number,turbulence model, solver settings, and others, were configured. During the simulation process, solution convergence was monitored by tracking residuals at each iteration. Residual values below 0.001 ensured solution stability and accuracy. The results provided insights into the velocity distribution, pressure fields, and energy dissipation within the spillway. It was determined that the water level never exceeds the height of the walls, preventing overtopping risks. The simulation demonstrated that the spillway of the Apu Sullcan Dam is hydraulically functional for safely evacuating the flood flow without the risk of overflow.