Influencia de la aireación del flujo en rápidas y en el rendimiento de amortiguación de energía en cuencos de resalto

Résumé

Esta tesis es el resultado de un trabajo de investigación desarrollado durante 5 años en el marco del proyecto de investigación LS-EMULSIONA, cuyo objetivo ha sido caracterizar el efecto de la aireación del flujo con régimen turbulento y supercrítico en rápidas y analizar su influencia sobre el resalto hidráulico. Para llevar a cabo este estudio experimental, se ha construido en el Laboratorio de Hidráulica del Centro de Estudios Hidrográficos del CEDEX un modelo físico de grandes dimensiones, formado por una rápida de 7 m de altura y un canal de resalto de casi 10 m de longitud. Estas dimensiones del modelo garantizaran la representatividad de los resultados y permitirá extrapolar las conclusiones a prototipos a escala real. La principal motivación de este trabajo es ahondar en el estudio de la influencia que podría tener la aireación sobre el rendimiento de amortiguación de energía en cuencos de resalto, lo que permitiría aumentar los rangos de funcionamiento de las estructuras de disipación. Para analizar este efecto se ha diseñado una campaña experimental con diferentes caudales de agua y aire, lo que han permitido establecer múltiples escenarios de funcionamiento para estudiar la evolución del comportamiento hidrodinámico del resalto. Otro objetivo de esta investigación ha sido analizar la influencia de la concentración de aire en los mecanismos de disipación de energía en la rápida, que surge como paso previo y necesario para caracterizar el comportamiento del flujo de entrada al cuenco de amortiguamiento. Por último, también se ha incluido en el alcance de este trabajo realizar una comparativa de los diferentes dispositivos que se utilizan de manera experimental para determinar la concentración de aire en un flujo emulsionado, que sigue suponiendo un reto en la actualidad. A partir de los resultados obtenidos en la campaña de ensayos, se han extraído una serie de conclusiones sobre los efectos que produce la aireación sobre el flujo de la rápida y el resalto hidráulico del modelo físico. La semejanza de Froude garantiza la representatividad de estos resultados para prototipos con una escala geométrica diez veces superior, lo que permite extender estas conclusiones a un gran número de aliviaderos y cuencos de amortiguamiento actuales. En primer lugar, de los métodos para determinar la concentración de aire en la mezcla emulsionada, la sonda de conductividad proporciona resultados precisos y cuenta con la ventaja de ser un equipo muy robusto, por lo que ha sido seleccionada para obtener el perfil de concentraciones en todos los ensayos. En cuanto a los resultados experimentales en la rápida, se ha comprobado que, a igualdad de condiciones de otras variables hidráulicas, una mayor aireación se traduce en una aceleración del flujo, lo que supone una reducción de la fricción con los contornos. A partir de esta relación, se ha propuesto una formulación para caracterizar este fenómeno y que permite cuantificar el efecto de la aireación sobre el coeficiente de rugosidad de Manning. El análisis del resalto hidráulico muestra que, para números de Froude del flujo de entrada comprendidos entre 6 y 8 y concentraciones de aire entre 22 y 33 %, no se aprecia ninguna dependencia entre el calado conjugado y la longitud del resalto con la concentración. En este sentido, tampoco se aprecian mejoras en el rendimiento de la amortiguación de energía con mayor aireación del flujo de entrada en el cuenco. Los resultados sí muestran un desequilibrio del esquema dinámico, por lo que se ha propuesto una nueva formulación que incluye una fuerza de reacción en el resalto. Finalmente, se han propuesto una serie de líneas de investigación futuras para ampliar el conocimiento sobre esta temática y que se orientan en dos direcciones. En primer lugar, es necesario aumentar el número de ensayos con mayores concentraciones y ampliar el rango de números de Froude en el resalto hidráulico. También se pretende incorporar los resultados obtenidos a un modelo lagrangiano tridimensional, para desarrollar y calibrar el módulo hidrodinámico para flujos aireados.