Estudio experimental y numérico de los sistemas de captación de fondo

Résumé

[ESP] Los sistemas de captación de fondo pueden constituir infraestructuras eficaces para la derivación de caudales en cauces efímeros, donde el transporte de sedimentos alcanza valores importantes. La optimización de estos sistemas para dicho fin supone hoy en día un motivo de investigación en las zonas semiáridas. De forma resumida dichos sistemas de captación de fondo se pueden dividir en las siguientes partes: i) reja de captación; ii) canal de transporte; iii) desarenador. La presente tesis se ha centrado en la reja de captación. Se ha establecido la influencia de la inclinación longitudinal de la reja, así como de las condiciones de aproximación del flujo a la entrada de la reja, a la hora de definir: i) cuantía de caudales derivados; ii) perfil adoptado por la lámina de agua y iii) coeficiente de descarga, entendido éste como la variable obtenida experimentalmente al relacionar el caudal derivado con la altura de energía de aproximación. Mientras diversos autores reconocen esta influencia a partir de trabajos experimentales (Orth, 1954; Frank, 1959; White et al. 1972), otros no consideran apreciable dicha influencia, por no disponer de una campaña experimental con pendientes longitudinales suficientemente amplia (Noseda, 1956) o por centrarse en pendientes longitudinales elevadas, superiores al 35% (19º), y donde dicha influencia deja de apreciarse al analizar el perfil de la lámina de agua (Brunella et al. 2003). Los trabajos han sido realizados en la infraestructura construida en el laboratorio de Hidráulica de la UPCT para rejas con sección en T, e índices de huecos comprendidos entre 0.16 y 0.28 y para pendientes del 0 al 33%. La definición del campo de velocidades y presiones del flujo a lo largo de la reja, mediante PIV y tubo pitot, ha permitido poder establecer la relación entre el coeficiente de descarga y la presión sobre la hendidura (Krochin, 1978), así como las diferencias con lo propuesto por diversos desarrollos teóricos existentes (Castro-Orgaz y Hager, 2011). A partir de los trabajos experimentales y numéricos recogidos en la bibliografía hasta la fecha se ha propuesto un ajuste multiparámetrico partiendo de las variables adimensionales obtenidas de un análisis dimensional. A partir de dicho ajuste se construye un ábaco que arroja el valor del coeficiente de descarga equivalente para diferentes condiciones de número de Froude al inicio de la reja, Fr0, tipo de barra y su espaciamiento, m. El estudio de la sedimentación de los materiales transportados por el flujo en la hendidura de las rejas ha permitido establecer la pendiente longitudinal más eficiente en el 30%. Del mismo modo se ha propuesto el incremento de longitud de reja que contemple dicho fenómeno. Estos trabajos se han llevado a cabo a partir de una campaña experimental con flujos que transportan gravas que ha permitido estudiar el fenómeno de la oclusión de la hendidura de las rejas de fondo. [ENG] Bottom intake systems can become effective infrastructure to derive flows in ephemeral streams, where sediment transport reaches important values. The optimization of these systems is a cause for research in semiarid areas. Briefly, these systems can be divided into the following parts: i) bottom rack; ii) transport channel; iii) sand trap. This thesis has focused on the bottom rack. Influence of longitudinal rack slope, as well as the approach flow conditions, is stablished for the: i) amount of derived flows; ii) profile adopted by the water surface and iii) discharge coefficient, taken as the variable defined experimentally by relating the derived flow rate and energy height. Several authors recognize this influence from experimental work (Orth, 1954; Frank, 1959. White et al 1972). Others do not consider this influence due to lack of sufficiently large slopes measurements (Noseda, 1956), or because them reached values higher than 35% (19°), where such influence is no longer observed when analyzing the water surface profile (Brunella et al. 2003). The work has been carried out in the laboratory of hydraulics of the UPCT for T shaped bars and for rates ranging from 0.16 to 0.28 bar space and slope from 0 to 33%. Velocity field and flow pressures measurements along the racks, using PIV (Particle Image Velocimetry) and pitot tubes, has allowed to establish the relationship between the discharge coefficient and pressure on the slit (Krochin, 1978), as well as differences between existing theoretical developments of pressure field along the flow over the racks (Castro-Orgaz and Hager, 2011). From information of several experimental works carried out to date, a multiparameter adjustment is proposed, based on variables obtained from a dimensional analysis. From this is defined an abacus to obtain the equivalent discharge coefficient value for different conditions as: Froude number at the beginning of the rack, Fr0, bar type and void ratio, m. Finally, the study of sedimentation of materials carried by the flow in the space between bars has established the most efficient longitudinal slope at 30%. Similarly, it has proposed increasing rack length that includes this phenomenon. Experimental test with flow that include gravels are taken in the hydraulic device allowing study of occlusion phenomena.