Modelación del flujo en lamina libre sobre causes naturales : análisis integrado con esquemas en volúmenes finitos en una y dos dimensiones

Modeling of unsteady open channel flow : integrated analysis by finite volume approaches in one and two dimencions

El conocimiento del funcionamiento hidráulico de un río en avenida es fundamental para la resolución de gran variedad de problemas de ingeniería hidráulica y dinámica fluvial, como delimitación de zonas inundables, diseño de encauzamientos y estructuras hidráulicas, estabilización de márgenes, estudios de rotura de presa, proyectos de rehabilitación de ríos, o determinación del riesgo asociado a episodios extraordinarios de lluvia.

Para ello es necesario el estudio del flujo de agua en lámina libre en régimen variable y con geometrías irregulares.

En este trabajo se aborda este estudio mediante la puesta a punto de herramientas de modelación numérica.

El objetivo de este trabajo es la puesta a punto de una herramienta para la modelación matemática del flujo de agua en lámina libre, en régimen variable, con geometrías irregulares como son los cauces naturales.

Los esquemas que se desarrollan permiten modelar con precisión flujos de agua discontinuos o con singularidades (cambios de régimen, frentes de onda, resaltos hidráulicos), como ocurre en la realidad durante el transcurso de una avenida en gran parte de los ríos, sobretodo en los cauces torrenciales.

Se desarrollan esquemas numéricos para la resolución de las ecuaciones de Saint Venant en forma conservativa, explícitos en volúmenes finitos.

Este tipo de esquemas shock capturing son los más adecuados para la simulación de flujos con singularidades. 

Los esquemas desarrollados son de alta resolución, con segundo orden de precisión fuera de las discontinuidades mientras que en éstas no se producen oscilaciones espurias ni más disipación de la debida.

La geometría de los ríos condiciona las características del flujo hidráulico.

El objetivo de este trabajo es la puesta a punto de una herramienta para la modelación matemática del flujo de agua en lámina libre, en régimen variable, con geometrías irregulares como son los cauces naturales.

Los esquemas que se desarrollan permiten modelar con precisión flujos de agua discontinuos o con singularidades (cambios de régimen, frentes de onda, resaltos hidráulicos), como ocurre en la realidad durante el transcurso de una avenida en gran parte de los ríos, sobretodo en los cauces torrenciales.

Se desarrollan esquemas numéricos para la resolución de las ecuaciones de Saint Venant en forma conservativa, explícitos en volúmenes finitos.

Este tipo de esquemas shock capturing son los más adecuados para la simulación de flujos con singularidades. Cuando existe una dirección del flujo predominante se puede utilizar una aproximación unidimensional, pero en ocasiones (confluencias de ríos, flujos alrededor de estructuras, cauces compuestos, curvas, desbordamiento de cauces) esto no es así debiéndose recurrir a una aproximación bidimensional, más costosa en información, complejidad del modelo y tiempo de cálculo.

Este documento es una tesis doctoral presentada y elaborada por Ernest Bladé i Castellet, para obtener el título de Doctor en el Departament d’Enginyeria Hidràulica, Marítima i Ambiental de la Escola Tècnica Superior d’Enginyers de Camins, Canals i Ports de la Universidad Politécnica de Cataluña UPC (Barcelona, España, 2005), y publicada en el servidor de Tesis Doctorals en Xarxa (TDX). El objetivo de este trabajo es la puesta a punto de una herramienta para la modelación matemática del flujo de agua en lámina libre, en régimen variable, con geometrías irregulares como son los cauces naturales.