XXII CONGRESO NACIONAL DE HIDRÁULICA

AMH

ACAPULCO, GUERRERO, MÉXICO, NOVIEMBRE 2012

AMH

DETERMINACIÓN DEL CAMPO DE VEL...
AMH

XXII CONGRESO NACIONAL DE HIDRÁULICA
ACAPULCO, GUERRERO, MÉXICO, NOVIEMBRE 2012

AMH

Este estudio presenta la utiliz...
AMH

XXII CONGRESO NACIONAL DE HIDRÁULICA
ACAPULCO, GUERRERO, MÉXICO, NOVIEMBRE 2012

La adquisición de datos esta compues...
AMH

XXII CONGRESO NACIONAL DE HIDRÁULICA
ACAPULCO, GUERRERO, MÉXICO, NOVIEMBRE 2012

direcciones horizontales, uno hacia ...
AMH

XXII CONGRESO NACIONAL DE HIDRÁULICA
ACAPULCO, GUERRERO, MÉXICO, NOVIEMBRE 2012

AMH

inferior (hverttedo = 11 cm; lí...
AMH

XXII CONGRESO NACIONAL DE HIDRÁULICA
ACAPULCO, GUERRERO, MÉXICO, NOVIEMBRE 2012

relacionado con la carga total de ag...
AMH

XXII CONGRESO NACIONAL DE HIDRÁULICA
ACAPULCO, GUERRERO, MÉXICO, NOVIEMBRE 2012

tanqueamortiguador y en la región pr...
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×

184 art[1]

65

Published on

mecánica de fluidos

Published in: Education
0 Comments
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total Views
65
On Slideshare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
0
Actions
Shares
0
Downloads
1
Comments
0
Likes
0
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

184 art[1]

  1. 1. XXII CONGRESO NACIONAL DE HIDRÁULICA AMH ACAPULCO, GUERRERO, MÉXICO, NOVIEMBRE 2012 AMH DETERMINACIÓN DEL CAMPO DE VELOCIDADES AL INTERIOR DE UN TANQUE AMORTIGUADOR Álvarez Celso Irving Juvenal, Pedrozo Acuña Adrián, Gutiérrez Valencia Cesar y Capella Vizcaíno Antonio Instituto de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México, Cd. Universitaria, Coyoacán, 04510, D.F., México IAlvarezC@iingen.unam.mx, APedrozoA@iingen.unam.mx, CGutierrezV@iingen.unam.mx, ACapellaV@iingen.unam.mx Introducción En los últimos años, el vertedortipo cimacio ha recibido gran atención debido a su capacidad de poder pasar con seguridad los flujos excesivos en las presas (NAME), lo que motivó su amplio uso como una estructura de descarga de agua (USACE, 1988; USBR , 1973). Sin embargo, como se ha señalado por Savage y Johnson (2001) una pequeña desviación de las condiciones del flujo aguas arriba, la forma de cresta, o alteraciones durante la construcción puede modificar las propiedades de flujo a través de la estructura. Debido a la sensibilidad observada en el flujo por las condiciones de la forma del vertedor, se han fomentado estudios a dicha estructura. Estos incorporan los resultados numéricos y experimentales con el fin de llevar a cabo una mejor evaluación de su rendimiento hidráulico (Savage y Johnson, 2001; Johnson y Savage, 2006). Análisis numéricos reportados en investigaciones anteriores se han centrado principalmente en el flujo a través de la propia estructura (por ejemplo, la cresta del vertedor), utilizando la teoría del potencial y la cartografía en el plano potencial complejo (Cassidy, 1965), o el empleo de elementos finitos lineales y el principio de variación (Betts, 1979;. Li et al, 1989, Guo et al, 1998). Más recientemente, Unami et al. (1999) utilizaron métodos de elementos de volumen finito para el desarrollo de un modelo numérico que resuelve las dos dimensiones ecuaciones de flujo libre de superficie. Entre otros, este esfuerzo demuestra el gran potencial de las herramientas matemáticas en el diseño hidráulico de vertederos.Losmodelos numéricos han permitido la aplicación de descripciones matemáticas complicadas a este problema. En particular, un conjunto de expresiones matemáticas se han visto favorecidas en su uso, como son las promediadas de Reynoldsmejor conocidas como las ecuaciones de NavierStokes. Hasta el momento, la investigación numérica utilizada en este tipo de modelo ha mostrado su aplicabilidad en el flujo de descarga, superficie del agua, y las presiones de la cresta en un vertedor. Sinembargoúltimamente, Johnson y Savage (2006) incorporó asus resultados, la evaluación del flujo en el tanque amortiguador al pie del cimacio y el análisis de su rendimiento. Los tanques amortiguadores, situados al pie del vertedor, se utilizan normalmente para proteger el lecho del río debido a los flujos supercríticos resultantes de los jets hidráulicos producidos por los vertedores. Por lo tanto, la disipación de energía tiene lugar dentro de ellos en forma de turbulencia. Sin embargo, si el nivel de turbulencia sigue siendo significativo, esto puede provocar una erosión local en la región de aguas abajo. Por lo tanto, no es sorprendente encontrar un número de estudios experimentales que se centran en la generación de erosión local (Breusers y Raudkivi, 1991; Hoffmans y Verheij, 1997). A pesar de los avances del conocimiento en laactualidadsea despreciado el efecto del campo de velocidades dentro del tanque amortiguador, normalmente colocado al pie de los cimacios. La caracterización hidráulica de este flujo es de gran importancia, ya que tiene un efecto directo sobre la integridad, la estabilidad y seguridad de la estructura. El campo de velocidades dentro de un tanque amortiguador al pie del vertedor tipo cimacio es muy complejo, ya que en esta región se desarrolla un cambio de régimen que va desde supercrítico a subcrítico dando lugar a un salto hidráulico ahogado (Johnson y Savage, 2006). El análisis de la hidrodinámica de estos tipos de flujo no ha sido desarrolladoen modelos experimentales debido al gran reto que implica la medición de los flujos turbulentos, incluso con el más avanzado equipo hidrodinámico (por ejemploVelocímetros acústicos y tubo de Pitot). El principal inconveniente de los instrumentos intrusivos es que pueden ser afectados por la presencia de burbujas de aire tal efecto también altera de igual amanera a técnicas no intrusivas como son los equipos Anemómetro Láser Doppler (LDA o LDV) o Velocímetro de Imagen de Partículas (PIV) (Petti y Longo, 2001). Estudios previos encaminados a la adquisición de las mediciones dentro de los flujos turbulentos, han señalado que la metodología mas confiable es la sonda dentro de la fase intrusiva, empleada en estudios de laboratorio ( Caín y Wood, 1981a, 1981b; Chanson, 2002; Chanson y Carosi, 2007). Aunque este método puede ser útil para medir perfiles de velocidad por la repetición de mediciones en un punto, una desventaja es que no proporciona una caracterización completa de la naturaleza espacial del campo de velocidades. En el caso del tanque amortiguador, las altas velocidades del flujo se caracterizan por tener grandes cantidades de aire atrapado. Por lo tanto, en esta investigación se emplea una técnica no intrusiva llamada velocimetría por trazado de trazado de burbujas (BIV, por sus siglas en inglés) (Ryu et al., 2005), lo que permite medir la velocidad del flujo en zonas de turbulencia, donde PIV o LDA son ineficaces. Anteriormente, el método BIV ha sido utilizado con éxito para medir el campo de velocidadesen la rotura de olas en las proximidades de estructuras verticales (Ryu et al 2005;. Ryu et al 2007;. Ryu y Chang 2008), así como la propagación de la rotura de un ola cuando incide sobre una pendiente impermeable (PedrozoAcuña et al 2011; Rivillas-Ospina et al 2012).
  2. 2. AMH XXII CONGRESO NACIONAL DE HIDRÁULICA ACAPULCO, GUERRERO, MÉXICO, NOVIEMBRE 2012 AMH Este estudio presenta la utilización del BIV para este propósito. Así, las mediciones se utilizan para dilucidar los cambios en el campo de velocidades dentro del tanque amortiguador inducida por diferentes cargas que pasan sobre la estructura hidráulica. Este trabajo está organizado de la siguiente manera. El montaje experimental se describe en la Sección 2. Sección 3 proporciona los resultados de la naturaleza del campo de flujo derivado por el método de BIV, en términos de la magnitud de la velocidad y perfiles de velocidad en distintos lugares dentro del tanque amortiguador. Finalmente, la sección 4 presenta la discusión y las conclusiones derivadas de esta investigación. Arreglo experimental Instalaciones de prueba. Los experimentos se llevaron a cabo en las instalaciones del Laboratorio de Hidráulica en el Instituto de Ingeniería de la Universidad Nacional de México. Un vertedor tipo cimacio fue construido, seguido de un tanqueamortiguador en el que se ajustó una pared de acrílico (ver Figura 1). Este tipo de pared permitió la observación de la hidrodinámica dentro del tanque amortiguador, y por consiguiente la utilización de la técnica de trazado de burbujas para mediciones del flujo. El modelo físico fue construido para reproducir el comportamiento hidráulico de la estructura de desbordamiento construido en Chiapas, México, conocida como Presa Nezahualcóyotl, que se encuentra en el río Grijalva. Las características geométricasdel modelo son 1.0 m de ancho y 2.79m desde el fondo del tanque a la altura de la cresta. La altura del tanque amortiguador es de 1.10 m y tiene una longitud de 3.0 m, mientras que la longitud de todo el modelo es 6.2 m. El agua se suministra al modelo por medio del flujo por gravedad desde un depósito superior (5.0mx5.0mx5.0m) donde el agua se bombea. A fin de garantizar una velocidad de flujo constante en el modelo físico, la profundidad del agua en el interior de este depósito se fija mediante el uso de compuertas. Para evitar la presencia de efectos laterales dentro del tanque amortiguador, al modelo original se le realizaron modificaciones, quedando un ancho del tanque de 0.2m, dicha modificación se realizó con la colocación de pared de madera dentro del modelo físico (ver Figura 1b). Figura 1. a) Fotografía del modelo físico utilizado en este estudio; b) Definición del vertedor tipo cimacio y sus dimensiones. Técnica de trazado de burbujas (BIV). El programa experimental incluyó mediciones detalladas de velocidad para seis pruebas con diferentes cargas antes de la cresta (hcresta) y descarga (ver Tabla 1). Se definen tres posiciones diferentes de la cámara con el propósito de cubrir toda la longitud del tanque. La caracterización del flujo en cada posición se llevó a cabo por medio de 5 repeticiones de grabaciones de vídeo. Así, más de 75.000 imágenes se recogieron para cada corrida compuesta por tres posiciones. El procesamiento de imágenes por medio de la técnica del trazado de burbujas (BIV), lo que permite el cálculo del promedio de la velocidad del flujo a lo largo del todo el tanque y la extracción de los perfiles de velocidad en diferentes puntos. La configuración experimental para la técnica no intrusiva BIV se muestra en la figura. 2, donde se observa el equipamiento basándose utilizado en el trabajo a), la iluminación de fondo b) y la localización de la cámara de alta velocidad c) (Fastec HighSpec 1). Fuente de luz fue proporcionada por dos luces Fresnel (650W), situados en ambas esquinas del dominio de interés y con una luz a cara descubierta (650W) situado por encima del tanque amortiguador (ver Figura 3). Figura 2. Evidencia fotográfica del sistema de estudio; a)Tanque amortiguador b) Iluminación trasera; c) Posición de la cámara.
  3. 3. AMH XXII CONGRESO NACIONAL DE HIDRÁULICA ACAPULCO, GUERRERO, MÉXICO, NOVIEMBRE 2012 La adquisición de datos esta compuesta por unatoma durante 3.0 segundos a una velocidad de 1077 fps con una resolución de 896 × 642. Con el fin de adquirir fotografías con una mejor calidad, las pruebas experimentales se llevaron a cabo durante la noche (un horario de 7-10pm). La abertura de la cámara se fijó con un número f entre 3 y 4, y la distancia L fue de 1,50 m. La figura 3 muestra una representación esquemática de la configuración para la aplicación de la técnica de BIV. La cámara estaba montada perpendicular a la dirección del flujo delante de la pared de vidrio del tanque amortiguador (ver Fig.2c). Figura 3. Técnica del trazado de burbujas (BIV). Ryu et al. (2005) y Pedrozo-Acuña et al. (2011), emplearonla técnica de Trazado de Burbujas para obtener el campo de velocidad dentro del tanque amortiguador donde el contenido de aire en flujo es alta debido a la transición de régimen supercrítico a uno subcrítico. De una manera similar a una imagen de la partícula velocimetría (PIV) del sistema, esta técnica deriva del campo de velocidad dentro del fluido a través de la correlación cruzada de las imágenes obtenidas por una cámara de vídeo de alta velocidad. Las imágenes son de color invertido con el fin de permitir una mejor identificación de las burbujas en las fotografias. Este enfoque, conocido como grafo de sombras, ha sido considerada como una buena técnica para la obtención de una revisión rápida de la corriente, especialmente cuando altas velocidades están presentes (Merzkirch, 1987). Según ha informado RivillasOspina et al. (2012), este método ha sido ampliamente utilizado para el estudio experimental de los flujos de dos fases, en combinación con algoritmos de correlación cruzada(por ejemplo Hassan et al, 1998; Nishino et al, 2000; Lindken y Merzkirch, 2002). En el caso del tanque amortiguador de este estudio, los niveles elevados de aire(burbujas) en las imágenes, permite la aplicación y el uso de esta técnica en fotografías consecutivas. Para la determinación de los vectores de velocidad y la diferencia cuadrática mínima (MQD) se utilizó el algoritmo de (Gui y Merzkirch, 1996). Esta decisión fue tomada después de que Gui y Merzkirch (2000) informaron que este método proporciona mejores resultados que los obtenidos usando métodos convencionales basados en métodos de correlación. La utilización con éxito de esta técnica requiere la definición de ciertos parámetros ópticos y la cámara, tales como la distancia nodal L, la profundidad límite de campo (DOF) y el campo de visión (FOV). La primera de las cuales representa la distancia de la cámara a la que la lente se centra, mientras que la segunda representa una región en la que los objetos AMH aparezcan nítidos y bien enfocados, y la tercera indica el tamaño del plano de la fotografía. Resultados Campo de velocidades en el tanque amortiguador. El objetivo principal de esta investigación es determinar experimentalmente la naturaleza del campo de velocidades dentro de un taque amortiguador al pie de un cimacio. La importancia de las mediciones presentadas, es que proporcionan un conjunto de datos únicos que revela la naturaleza de la hidrodinámica dentro de un tanque amortiguador. Este tipo de estructuras son de gran importancia, ya que se utilizan normalmente en el diseño de las presas. Además, se reconoce que las mediciones permitirán la comparación y validación de diferentes modelos numéricos que se emplean en el diseño de dichas estructuras. Las mediciones con diferentes valores de carga se utilizan para apreciar los cambios del campo velocidades dentro de del tanque. La Figura 4 ilustra la técnica de trazado de burbujas BIV, para tres condiciones de prueba que se caracterizan por el valor dela carga total. El flujo en las imágenes va de derecha a izquierda, mientras que las diferentes filas muestran los resultados para cada posición de la cámara requeridas para capturar la hidrodinámica dentro del tanque amortiguador. Los paneles de la fila superior de esta figura, muestran los resultados para el caso (hverttedor = 23cm), donde la trubulebcia queda cerca de la parte inferior del tanque amortiguador. La extensión de este flujo cubre los primeros dos metros (posición 1 y 2) del tanque amortiguador. Figura 4. Resultados utilizando la Técnica del trazado de burbujas (BIV), bajo tres condiciones de carga (hvertedor = 23 cm, hvertedor = 16 cm, hvertedor = 11 cm) Por otro lado, la fila central de esta figura presenta un caso intermedio en términos dela carga total registrada (hverttedor= 16 cm). Es evidente que, en comparación con el caso anterior, un patrón similar del campo de velocidad se ilustra. Sin embargo, en este caso, la turbulencia del chorro se quede cerca de la primera parte del tanque amortiguador. Esto es confirmado por la reducción de la longitud del chorro. Curiosamente, las mediciones registradas en la posición 3 ilustran una divergencia del flujo cerca de la superficie. Aquí, el flujo se desplaza hacia la superficie y se divide entonces en dos
  4. 4. AMH XXII CONGRESO NACIONAL DE HIDRÁULICA ACAPULCO, GUERRERO, MÉXICO, NOVIEMBRE 2012 direcciones horizontales, uno hacia la salida del tanque y otro en dirección opuesta, un flujo de retorno. La concentración de burbujasde este caso también se reduce en comparación con hvertedor = 23cm. Esto se aprecia en la imagen en la posición 3, donde la región cercana a la salida del tanque carece de la presencia de las burbujas en el líquido. En este caso, las velocidades del BIV derivadas de esta región no representan la dinámica de fluidos reales. Esto es parte de las limitaciones atribuidas a la técnica experimental implementada aquí. Por último, las filas inferiores de la figura 4 presenta los resultado del BIV bajo una carga mas pequeña (hvertedor = 11 cm), sólo dos posiciones de la cámara fueron necesarias (Posiciones 1 y 2). El campo de velocidad que se ilustra en estas imágenes revelan un comportamiento hidrodinámico similar producido por un estado de energía menor. Esto se verifica a través de la extensión limitada del chorro de agua ~ 1,5 m, con un flujo de retorno horizontal cerca de la superficie del agua.A pesar de que la condición representa un caso de baja energía, la concentración de burbujas registrado es todavía ideal para la aplicación de la técnica de BIV. AMH presencia de burbujas. Esto indica una de las limitaciones de la técnica BIV. No obstante, debe tenerse en cuenta que el campo de velocidad media presentan en las Figuras 4 y 5 revela una imagen clara de la hidrodinámica observada dentro de un tanque amortiguador. Estas mediciones no pueden ser adquiridas por otros medios tales como un sistema de PIV o un ADV. Perfiles de velocidad Aparte de los campos de velocidad que se presentan en la sección anterior, también es posible extraer los perfiles de velocidad en cualquier ubicación y dirección. Por lo tanto, esta sección se presenta el tipo de perfil de velocidad horizontal media en varios lugares y en cada una de las tres posiciones utilizadas para la toma de fotografías. Esto permite una inspección más cercana de la naturaleza del flujo dentro del tanque amortiguador. Con el objeto de seguir investigando la magnitud de las velocidades registradas para estas tres condiciones, la Figura 5 ilustra mapas de color de la magnitud de la velocidad media dentro del tanque amortiguador para diferentes valores de carga (imagen superior hvertedor = 23 cm; imagen media hvertedor= 16 cm; imagen inferior hvertedor= 11 cm). Figura 5. Mapa de velocidades (BIV), bajo tres condiciones de carga (hvertedor = 23 cm, hvertedor = 16 cm, hvertedor = 11 cm) Los resultados indican una clara diferencia en la magnitud de los patrones de circulación generados por la velocidad media calculada para las pruebas seleccionadas. Evidentemente, la velocidad más alta está asociada a la mayor carga total con hvertedor = 23cm, donde las velocidades (en la primera posición de la cámara) son mayores que 250 cm/s. La magnitud de la velocidad asociada a esta característica hidrodinámica se redujo en relación con a carga total de cada ensayo, con valores cercanos a 200 cm/s para hvertedor = 16 cm y 150 cm/s para hvertedor = 11cm.Además, en los resultados de contorno del mapa de colores, las áreas de manchas blancas son claramente identificadas, Esto se atribuyen a la presencia de una estructura de hierro construido para proporcionar soporte a la pared de vidrio lateral, que aparece en las fotografías (véase la figura 4). Por lo tanto, en estas pequeñas regiones la técnica BIV no es capaz de calcular el valor de velocidad. Los resultados para la posición 3 en el caso de hvertedor = 16 cm, muestran una región blanca, donde no se han registrado Figura 6. Perfiles de velocidad para diferentes puntos en el tanque amortiguador a diferentes condiciones de carga para la posición 1 (hvertedor = 23 cm, hvertedor = 16 cm, hvertedor = 11 cm) La figura 6 presenta los resultados obtenidos BIV en la posición 1, donde el tanque amortiguador comienza. Para mayor claridad, se muestran los perfiles de velocidad en 4 puntos en la imagen identificada por diferentes colores en el panel. Además, tres perfiles de velocidad se ilustran para cada ubicación, correspondientes a las diferentes pruebas que se caracterizan por la carga total. Estos son hverttedor = 23cm representada con una línea sólida,hverttedor= 16cm ilustrada con una línea de trazos y hverttedor = 11cm identificada con una línea punteada. La incorporación de tres diferentes condiciones de ensayo en los gráficos, permiten una comparación de magnitudes de velocidad y perfiles verticales en términos de los flujos de descarga. Panel a) de la figura 6 muestra los resultados de un punto situado al pie el vertedor (ver cuadro verde). Para el caso de descarga máxima (hverttedo = 23 cm; línea continua), la velocidad pico alcanza 200 cm/s, mientras que en el caso de una descarga intermedia (hverttedo = 16 cm; línea discontinua) está cerca de 150 cm/s. Por último, en el caso de descarga
  5. 5. AMH XXII CONGRESO NACIONAL DE HIDRÁULICA ACAPULCO, GUERRERO, MÉXICO, NOVIEMBRE 2012 AMH inferior (hverttedo = 11 cm; línea de puntos), la velocidad máxima es de sólo 100 cm/s. Curiosamente, la forma del perfil de velocidad en esta ubicación y para todas las descargas es muy similar, esto confirma que una descarga más grande sólo intensifica el comportamiento hidráulico observado. El panel b) de la misma figura ilustra los perfiles de velocidad vertical en la primera ubicación en el tanque amortiguador, donde la superficie de la cama es plana (identificada por el punto rojo en el panel e). Por otra parte, un flujo de retorno de menor magnitud que la velocidad del chorro es identificado en una región superior, cerca de la superficie del agua. La velocidad pico para el caso de descarga máxima es ligeramente menor que 300 cm/s, mientras que para el caso de descarga intermedia es 200 cm/s.En la prueba con el desempeño mínimo la velocidad máxima es de ~ 150 cm/s. En esta ubicación, la estructura del perfil de velocidad vertical muestra algunas diferencias en relación con el flujo de descarga. De una manera similar a la velocidad del chorro, la magnitud del flujo de retorno viajando cerca de la superficie (valores de elevación entre 20-30cm) es proporcional a la descarga. Como se ha señalado en los mapas espaciales de la velocidad media de flujo, esta corriente inversa es una consecuencia de la pérdida de energía experimentada por el chorro sumergido en el extremo del tanque. En contraste, los paneles c) y d) muestran los perfiles verticales de la velocidad media para otras ubicaciones de aguas abajo del tanque. En efecto, en estas dos ubicaciones de la estructura, los perfiles verticales de velocidad media muestran un comportamiento muy similar, en el que para todas las pruebas las magnitudes son muy parecidas tanto para el pico de velocidad del chorro sumergido y el flujo inverso cerca de la superficie. Además, las velocidades observadas para el chorro sumergido en ambas posiciones (c y d), confirman que en esta región se encuentra la máxima velocidad. La Figura 7 ilustra el mismo tipo de información, pero en una ubicación más alejada al pie del cimacio dentro del tanque amortiguador, a lo largo de la parte central de la ventana identificada por posición de la cámara 2. Panel a) de la figura. 7 muestra una ligera reducción en la magnitud de la velocidad del chorro sumergido en todos los casos. El perfil de velocidad es similar en todos los casos, con una mejora clara del flujo en las pruebas asociadas a los valores más altos de la cargadel vertedor (hverttedor= 23 cm, línea continua y hverttedor = 16 cm; discontinua line). Esto se atribuye a la intensidad del chorro sumergido, que para estos casos es lo suficientemente fuerte como para mantener una alta velocidad a la parte inferior, aunque reducida en comparación a la mostrada en la Posición 1. Figura 7. Perfiles de velocidad para diferentes puntos en el tanque amortiguador a diferentes condiciones de carga para la posicion2 (hvertedor = 23 cm, hvertedor = 16 cm, hvertedor = 11 cm) En la Figura 8 presenta los resultados del BIV en la posición 3, esto es en la última sección del tanque amortiguador, muy cerca del punto de salida. Una vez más, cuatro puntos diferentes de análisis se seleccionan dentro de esta posición de la cámara. Estos son ilustrados por los diferentes símbolos en el panel. Cabe destacar que en todos los paneles ilustrados en esta figura (de b a d), sólo aparecen dos líneas diferentes asociadas a los valores superiores de carga utilizada (hverttedor = 23 cm; línea continua y hhverttedor = 16 cm; línea discontinua). En cuanto a la prueba de hverttedor = 11 cm, no fue posible utilizar el método de BIV para determinar los valores de velocidad en esta posición de la cámara debido al hecho de que evento no puede producir un chorro suficientemente fuerte. Por lo tanto, las burbujas no se transporta a la ubicación. Panel a) de la figura 8 muestra los resultados de un punto situado en las proximidades de la posición 2 (ver cuadro verde, panel e). En este lugar, es evidente que la velocidad pico asociado al chorro sumergido se reduce ligeramente. Parahverttedr = 23 cm (línea continua) no hay mucho cambio en el perfil de la velocidad que se observa en comparación con la registrada en la posición 2. Por otro lado, la estructura del perfil de velocidad para hhverttedor = 16 cm (línea discontinua) muestra una imagen muy diferente a la registrada en la posición anterior. Especialmente en la región de la columna de agua cerca de la superficie del agua, cuando se identifica una gran reducción de la inversión del flujo. Panel b) ilustra los resultados para el perfil de velocidad vertical medida en el punto identificado por el punto rojo en el panel. En este punto, la mayor hverttedor = 23 cm (línea continua) muestra una intensificación de la inversión del flujo cerca de la superficie del agua, mientras que la velocidad pico asociado al chorro sumergido se reduce sólo ligeramente. Por otra parte, la línea discontinua que ilustra la hverttedor = 16 cm muestra un perfil vertical casi uniforme a velocidades muy pequeñas a lo largo de la columna de agua. Los resultados mostrados en esta sección confirmar que la forma del perfil de velocidad es una consecuencia directa de la intensidad del chorro sumergido, que es a su vez esta
  6. 6. AMH XXII CONGRESO NACIONAL DE HIDRÁULICA ACAPULCO, GUERRERO, MÉXICO, NOVIEMBRE 2012 relacionado con la carga total de aguas arriba de la cresta y la descarga que fluye desde el vertedor tipo cimacio. El patrón general del comportamiento hidráulico es similar en todas las pruebas, siendo la única diferencia el tamaño de los patrones de circulación observados dentro del tanuqe amortiguador. Figura 8. Perfiles de velocidad para diferentes puntos en el tanque amortiguador a diferentes condiciones de carga para la posicion 3 (hvertedor = 23 cm, hvertedor = 16 cm, hvertedor = 11 cm) Comparaciónde los resultados con la “Técnica del trazado de burbujas (BIV)” vs el modelo numérico Flow 3D En otro punto de estudio se comparo los perfiles de velocidad obtenidos bajo la técnica de trazado de burbujas con un modelo numérico tridimensional, esto con la finalidad de observa las diferencias en los perfiles de velocidad. Esto se realizo utilizando las condiciones de hvertedor = 16 cm y hvertedor = 11 cm. El análisis se realizo a una distancia de cada 50 cm dentro del tanque amortiguador, para una carga de 11 cm solo se ocuparon 2 posiciones de la cámara detal manera que se cubrieron cuatro puntos (P0, P50, P100 y P150cada imagen con dos perfiles uno dado por el BIV y el otro por el modelo numérico Flow3D. Figura 9. Perfiles de velocidad a cada 50 cm para una carga de hvertedor=11 cm AMH En la figura 9 se puede observar que en las primeras secciones los perfiles tienen un comportamiento muy parecido, pero al alejarse del pie del cimacio estos comienzan a diferir bastante, esto se debe a que al tener menos velocidad en zonas muy alejadas, la técnica del BIV no alcanza apreciar dichas velocidades. Para la carga de hvertedor = 16 cm se tiene 4 secciones, para esta condición se utilizaron 3 posiciones de la cámara. En la figura 10 se muestra los perfiles para dichas posiciones cada una a cada 50 cm. El comportamiento observado para esta condición refleja un comportamiento muy parecido a la primera condición, donde a grandes velocidades los perfiles son muy similares y en velocidades pequeñas esta similarida desaparece. Figura 10. Perfiles de velocidad a cada 50 cm para una carga de hvertedor=16 cm Conclusiones El trabajo presentado aquí describe la utilización de un método no intrusivo conocido como la Técnica del trazado de burbujas (BIV, por sus siglas en ingles) para medir el campo de velocidades dentro de un tanque amortiguador inducida por el flujo de un vertedor tipo cimacio en el laboratorio. Las mediciones que aquí se presenta ayudan para la determinación del campo de velocidades dentro de un tanque en relación con las diferentes descargas sobre la estructura hidráulica. Además, la técnica de BIV se confirma como una herramienta potente para la medición de flujos turbulentos(flujos de aireagua)que son aun muy poco conocidos. Se refleja que la calidad de los resultados con esta técnica será de gran apoyo a modelistas numéricos ya que podrían proporcionar una base desde la cual los resultados de los modelos numéricos podrán compararse contra los resultados de esta técnica. Por lo tanto, la técnica y las medidas derivadas permitirán la utilización de metodologías integradas para el diseño y análisis de estas estructuras hidráulicas. Los resultados en términos del campo de velocidad dados por el BIV indican una clara diferencia en la magnitud de los patrones de circulación generados por la velocidad media calculada para las pruebas seleccionadas. Cabe destacar que la estructura del flujo general es similar en todos los casos, y los cambios en el tamaño de los patrones de circulación y magnitud de la velocidad es proporcional a la carga total. Los resultados relacionados con la velocidad horizontal del flujo, ilustra una velocidad muy uniforme para una elevación dada dentro del tanque amortiguador. Para la mayor parte de las tres posiciones de la cámara estudiados, las velocidades son de hecho muy similares, mostrando sólo pequeñas diferencias en la entrada del chorro sumergido en el
  7. 7. AMH XXII CONGRESO NACIONAL DE HIDRÁULICA ACAPULCO, GUERRERO, MÉXICO, NOVIEMBRE 2012 tanqueamortiguador y en la región próxima a su salida. La primera diferencia se atribuye a la aceleración del flujo que se experimenta una vez que el chorro entra en la estructura sumergida. Considerando que la segunda está relacionada con la pérdida de energía del chorro sumergido, que a su vez produce dos flujos principales, una en dirección de la salida (en la zona media de la columna de agua) y otro en forma de flujo inverso (cerca a la superficie). Se encontró que la velocidad pico asociado al chorro sumergido tiene una distribución vertical no uniforme cerca de su entrada, pero una velocidad uniforme se desarrolla cuando el flujo se desplaza aguas abajo del tanque. Hacia la región junto a la salida y debido a la pérdida de energía las condiciones hidrodinámicas del flujo subcrítico cambian. Esta región es precisamente donde la generación de la inversión del flujo se identifica. Los resultados anteriores confirman que bajo condiciones hidrodinámicas altamente aireadas y turbulentas, la técnica de trazado de burbujas (BIV) es una herramienta muy buena complementaria en la estimación del campo de velocidades en el laboratorio. Esto es valioso cuando no se cuenta con un equipo adecuado para la medición. Referencias AMH 11. Ho, D.K.H. and Donohoo, S.M., 2001. Investigation of spillway behavior under increased maximum flood by computational fluid dynamics technique. Proc. 14th Australasian FluidMech. Conference, Adelaide University, Adelaide, Australia, pp. 10-14. 12. Hoffmans, G. J. C. M., and Verheij, H. J. ı1997. Scour manual, Balkema, Rotterdam, The Netherlands. 13. Johnson, M.C., Savage, B.M., 2006, Physical and Numerical Comparison of Flow over Ogee Spillway in the Presence of Tailwater. Journal of Hydraulic Engineering, Vol.132, No.12, doi: 10.1061/(ASCE)07339429(2006)132:12(1353) 14. Kim, N.I., 2003. Investigation of scale effects of hydraulic model for dam spillway using 3-D CFD model, [Dissertation], Dept. of Civil Engineering, Seoul National University, Seoul, Korea. 15. Li, W., Xie, Q., and Chen, C. J. 1989. Finite analytic solution of flow over spillways. J. Engrg.Mech., ASCE, 115(12), 2635–2648. 16. Lindken, R. and Merzkirch, W., 2002. A novel PIV technique for measurements in multiphase flows and its application to two-phase bubbly flows. Experiments in Fluids, 33, 814- 525. 1. Betts, P. L., 1979. A variation principle in terms of stream function for free surface flows and its application to finite element method. Computers and Fluids, 7(2), 145–153. 17. Oliveto, G., and Comuniello, V., 2009. Local Scour Downstream of Positive-Step StillingBasins. Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 135, No. 10, doi: 10.1061/(ASCE)HY.1943- 7900.0000078. 2. Breusers, H. N. C., and Raudkivi, A. J. ı1991. Scouring, Balkema, Rotterdam, The Netherlands. 3. Cain, P., and Wood I.R. 1981a. Instrumentation for aerated flow on spillways. Journal of the Hydraulics Division, ASCE, 107(HY11), 1407–1424. 18. Pedrozo-Acuña, A., Ruiz de Alegría-Arzaburu, A., Torres-Freyermuth, A., Mendoza, E., Silva R., 2011, Laboratory investigation on pressure gradients induced by plunging breakers. Coastal Engineering 58 (8), 722738. doi:10.1016/j.coastaleng.2011.03.013 4. Cain, P., and Wood, I.R. 1981b. Measurements of selfaerated flow on a spillway. Journal of the Hydraulics Division, ASCE 107(HY11): 1425–1444. 5. Cassidy, J.J., 1965. Irrotational flow over spillways of finite height. J. of Engrg. Mech. Div.,ASCE, Vol. 91, No. 6, pp. 155-173. 6. 7. Chanson, H. 2002. Air-water flow measurements with intrusive phase-detection probes. Can we improve their interpretation?. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE 128(3):252 Gui, L., Merzkirch, W., 1996. A method of tracking ensembles 487 of particle images. Experiments in Fluids 21: 465-468. 8. Gui, L., Merzkirch, W., 2000. A comparative study of the MQD method and several correlation-based PIV evaluation algorithms. Experiments in Fluids 28: 36-44. 9. Guo, Y., Wen, X., Wu, C., and Fang, D., 1998. Numerical modeling of spillway flow with free drop and initially unknown discharge. J. of Hydraulic Research., IAHR, Vol. 36, No. 5, pp. 785-801. 10. Hassan, Y. A., Schmidl, W. D. and Ortiz-Villafuerte, J. 1998. Investigation of three dimensional two-phase flow structure in a bubbly pipe Meas. Sci. Technol. 9 309 26. 19. Rivillas-Ospina, G., Pedrozo-Acuña, A., Silva, R., Torres-Freyermuth, A., Gutierrez, C. 2012. Estimation of the velocity field induced by plunging breakers in the surf and swash zones.Experiments in Fluids, 52 (1), pp. 53-68. doi: 10.1007/s00348-011-1208-x 20. Ryu Y, Chang K-A, Lim H-J (2005) Use of bubble image velocimetry for measurement of plunging wave impinging on structure and associated greenwater. Meas Sci Technol 16:1945–1953 21. Ryu Y, Chang K-A, (2008) Green water void fraction due to breaking wave impinging and overtopping, Experiments in Fluids 45:883–898 22. Savage, B.M., Johnson, M.C., 2001. Flow over ogee spillway: Physical and numerical model case study. Journal of Hydraulic Engineering, Vol.127, No.8, p.640649.

×