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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dc.contributor.advisorFuentes Díaz, David Alfredo
dc.contributor.advisorChaves Guerrero, Árlex
dc.contributor.authorBautista Parada, Diego Fernando
dc.contributor.evaluatorGuzmán Arias, Diego Alejandro
dc.contributor.evaluatorObregón Quiñones, Luis Guillermo
dc.contributor.evaluatorJaramillo Ibarra, Julián Ernesto
dc.contributor.evaluatorMartínez Rey, Ramiro
dc.contributor.evaluatorKafarov, Viatcheslav Victorovich
dc.date.accessioned2022-04-22T13:21:55Z
dc.date.available2022-04-22T13:21:55Z
dc.date.created2022-03-29
dc.date.issued2022-03-29
dc.description.abstractEl 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.
dc.description.abstractenglishThe proper management of the dry-wet front in shallow water flow is a computationally demanding task given the difficulty in locating the exact position of such interface and it is even more challenging when the topographies are irregular as in the natural environment. In this thesis, the shallow water equations were solved and an algorithm to compensate the mass imbalance generated when a thin film algorithm is implemented is proposed. The compensation are performed only on the cells that require it, distributing such imbalance on those that change their depth at each instant of time, guaranteeing the positivity of the scheme and the mass balance at all times. The proposed algorithm was validated solving benchmark problems along with problems with experimental data including reflexive and closed boundary conditions and open flow boundaries with different flow regimes. The implemented scheme was shown to be balanced, with a correct handling of the dry-wet front over flat beds and steep slope beds, and, in addition, provides a good prediction of flow patterns over different flow regimes. It was also successfully implemented a numerical solution of the sediment transport and 2D shallow water equations using the decoupled approach. Different discharge formulas to approximate the solid discharge of the sediment were used. The flow field was calculated by solving the shallow water equations which were discretized using the finite volume method; the Godunov's method with Roe's Riemann solver were used to approximate the numerical fluxes. The sediment transport was modeled with the Exner equation which was discretized using the Roe's scheme and the finite volume method. In addition, it was proposed an algorithm to guarantee the mass balance in the whole domain for water and sediment at all time steps. The results were compared with experimental measurements reported by other authors to validate the implemented solution.
dc.description.degreelevelDoctorado
dc.description.degreenameDoctor en Ingeniería Química
dc.format.mimetypeapplication/pdf
dc.identifier.instnameUniversidad Industrial de Santander
dc.identifier.reponameUniversidad Industrial de Santander
dc.identifier.repourlhttps://noesis.uis.edu.co
dc.identifier.urihttps://noesis.uis.edu.co/handle/20.500.14071/10141
dc.language.isospa
dc.publisherUniversidad Industrial de Santander
dc.publisher.facultyFacultad de Ingeníerias Fisicoquímicas
dc.publisher.programDoctorado en Ingeniería Química
dc.publisher.schoolEscuela de Ingeniería Química
dc.rightsinfo:eu-repo/semantics/openAccess
dc.rights.accessrightsinfo:eu-repo/semantics/openAccess
dc.rights.coarhttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2
dc.rights.creativecommonsAtribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)
dc.rights.licenseAttribution-NonCommercial 4.0 International (CC BY-NC 4.0)
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subjectEcuaciones de aguas someras
dc.subjectCFD
dc.subjectFrente seco-mojado
dc.subjectTopografías variables
dc.subjectTransporte de sedimentos
dc.subjectTransporte del lecho
dc.subjectSolución desacoplada
dc.subject.keywordShallow Water Equations
dc.subject.keywordCFD
dc.subject.keywordDry-Wet Front
dc.subject.keywordVariable Topographies
dc.subject.keywordSediment Transport
dc.subject.keywordBedload Transport
dc.subject.keywordDecoupled Solution
dc.titleSimulación numérica de la hidrodinámica y transporte de sedimentos de las aguas superficiales mediante la aplicación del método de volúmenes finitos
dc.title.englishNumerical Solution of the Shallow Water Equations and Sediment Transport Using the Finite Volume Method
dc.type.coarhttp://purl.org/coar/resource_type/c_db06
dc.type.hasversionhttp://purl.org/coar/version/c_b1a7d7d4d402bcce
dc.type.localTesis/Trabajo de grado - Monografía - Doctorado
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