Simulación numérica de la hidrodinámica y transporte de sedimentos de las aguas superficiales mediante la aplicación del método de volúmenes finitos
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Date
2022-03-29
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Universidad Industrial de Santander
Abstract
El manejo adecuado del frente seco-mojado en el flujo de aguas someras es una tarea computacionalmente demandante dada la dificultad que se tiene para localizar la posición exacta de dicha interface y es todavía más desafiante cuando las topografías son irregulares como sucede en el ambiente natural. En esta tesis, se resuelven las ecuaciones de aguas someras y se propone un algoritmo que permite compensar el desbalance de masa generado cuando se implementa un algoritmo de película delgada. Dichas compensaciones se realizan sobre las celdas que lo requieren, distribuyendo dicho desbalance sobre aquellas que cambian su altura en cada instante de tiempo garantizando la positividad del esquema y el balance de masa en todo momento. El algoritmo propuesto se validó a partir de la solución de problemas de referencia junto con problemas experimentales que incluyen condiciones de frontera reflexivas o cerradas y fronteras de flujo abierto con distintos regímenes de flujo. El esquema implementado mostró ser balanceado, con un correcto manejo del frente seco-mojado sobre lechos planos y lechos con pendientes pronunciadas, y, además, provee una buena predicción de los patrones de flujo sobre distintos regímenes de flujo. Por otra parte, se implementó exitosamente una solución numérica del transporte de sedimento y las ecuaciones de aguas someras usando la aproximación desacoplada. Se utilizaron diferentes fórmulas para aproximar la descarga sólida de sedimento. El transporte de sedimento se modeló con la ecuación de Exner y se discretizó utilizando el esquema de Roe junto el método de los volúmenes finitos. Además, se propuso un algoritmo que garantiza el balance de masa en todo el dominio para el agua y el sedimento en todos los instantes de tiempo. Los resultados obtenidos fueron comparados con datos experimentales reportados por otros autores los cuales permitieron validar la solución obtenida.
Description
Keywords
Ecuaciones de aguas someras, CFD, Frente seco-mojado, Topografías variables, Transporte de sedimentos, Transporte del lecho, Solución desacoplada