El investigador del IIAMA-UPV (Instituto de Ingeniería del Agua y Medio Ambiente de la Universitat Politècnica de València) Arnau Bayón, ha desarrollado un modelo numérico que demuestra la aplicabilidad de la técnica CFD (Computational Fluid Dynamics) para la caracterización de flujos aireados en el diseño de estructuras hidráulicas.
Este es el principal resultado obtenido en su tesis doctoral “Numerical analysis of air-water flows in hydraulic structures using computational fluid dynamics (CFD)”, que ha sido dirigida por la profesora del Departamento de Hidráulica de la UPV, Ámparo López.
El estudio tiene su origen en que las nuevas disposiciones legales derivadas del cambio climático dictaminan que las estructuras hidráulicas deben ser capaces de funcionar correctamente en escenarios de inundación mucho más exigentes de los que sirvieron para su diseño. Esto implica adaptar los criterios de diseño, así como la infraestructura existente para satisfacer dichos requerimientos, tal y como señala el autor del estudio.
Arnau Bayon durante la defensa de su tesis doctoral
“A fin de evitar riesgos en la restitución de los caudales vertidos al río, como desbordamientos o procesos erosivos y de socavación, el diseño hidráulico ha de sustentarse en herramientas fiables capaces de reproducir el comportamiento real de las estructuras hidráulicas”, explica el Dr. Bayón.
Por este motivo, su estudio ahonda en la modelación mediante métodos numéricos tridimensionales, -en particular CFD- para la predicción del comportamiento de presas y otras estructuras hidráulicas.
“Mi tesis doctoral demuestra la aplicabilidad de la técnica CFD en el diseño de estructuras hidráulicas y reproduce el comportamiento de diferentes tipos de flujo aire-agua. La técnica CFD existe desde los años 50 y, aunque fue originalmente concebida en el ámbito de la ingeniería aeroespacial, con el paso del tiempo ha ido ganando campos de aplicación, pese a que en ingeniería hidráulica todavía no goza de pleno uso”, manifiesta el investigador del Laboratorio de Hidráulica y Obras Hidráulicas de la UPV.
Campo de estudio y resultados
El modelo desarrollado ha sido implementado mediante la plataforma de código abierto OpenFOAM y su respuesta ha sido comparada con datos experimentales, además del modelo comercial FLOW-3D. Concretamente, el análisis se ha efectuado sobre dos partes diferentes de una presa, el aliviadero y el cuenco amortiguador.
“Se ha desarrollado el modelo utilizando el software libre OpenFOAM y se ha comparado con otros comerciales basándose en casos experimentales. Además, con el objetivo de probar la adecuación del modelo a casos reales, se ha aplicado en la reproducción del flujo de dos estructuras hidráulicas reales”, resalta el investigador valenciano.
De este modo, mediante técnicas de modelación CFD (Computational Fluid Dynamics), se ha caracterizado, entre otros el resalto hidráulico que se produce a pie de presa para disipar la energía, obteniendo una serie de variables de control, como la relación de calados conjugados, los perfiles de velocidad o la disipación de energía cinética turbulenta, que se han adoptado como indicadores en el análisis.
“Los resultados no establecen que un código sea mejor que el otro, todo depende de las características del flujo analizado y de las variables que se quiera modelar. Lo realmente importante, es que se ha analizado el papel de una serie de parámetros de los modelos CFD que, a modo de guía, pueden servir de referencia para el análisis de estructuras hidráulicas con software libre”, resalta el Dr. Bayón.
De hecho, en todos los casos el modelo demuestra que es completamente aplicable a casos de diseño más complejos, donde cuencos amortiguadores, aliviaderos escalonados y estructuras hidráulicas en general han de ser investigadas.
Por todo ello, destaca que su estudio contribuye a “mejorar el diseño de las estructuras hidráulicas e incluso a realizar un diagnóstico prematuro de problemas asociados este tipo de infraestructuras”, asevera el investigador del IIAMA.