Numerical modeling of skimming flow in a stepped channel with vertical curves

Abstract

Los canales escalonados se utilizan frecuentemente para la descarga de agua en embalses, sin embargo, hay pocos estudios que consideren la implementación de curvas en el fondo de este tipo de estructuras. Este artículo presenta una evaluación cuantitativa, mediante modelación numérica con dinámica de fluidos computacional (CFD), de las propiedades del flujo rasante en canales escalonados de alta pendiente con curvas verticales. La geometría escalonada se definió con una curva convexa a la entrada, una rampa recta intermedia, y una curva cóncava a la salida; con el fin de comparar los campos de velocidad, presión, vorticidad y estadísticas de la turbulencia en los tres tramos del canal. Se concluyó que, los perfiles de velocidad obtenidos con el modelo de turbulencia RNG k-ε, presentaron una buena correlación con mediciones experimentales en la zona de flujo no aireada. Sin embargo, la calidad del ajuste disminuyó aguas abajo ya que el modelo numérico no capturó el fenómeno de aireación. Al comparar el comportamiento hidrodinámico en ambas curvas escalonadas, se encontró que la zona de separación abarcó una mayor fracción de cada escalón en la curva convexa. En esta, se presentaron además valores negativos de presión a la altura de la esquina superior de las contrahuellas, los cuales no se evidenciaron en la curva cóncava. Finalmente, los máximos de disipación turbulenta se encontraron cerca al fondo en el tramo final de las huellas, y en la frontera entre la corriente principal y el flujo recirculante de cada escalón, siendo mayores para la curva a la salida del canal.