Experimentación física y numérica de la hidrodinámica local de rejas de fondo transversales al flujo en captaciones de agua superficial

Resumen

En todo proyecto de recursos hídricos con fines de uso municipal, agrícola, industrial, producción de energía, etc., es necesario separar del agua una amplia variedad de sólidos. Todos los tipos de captación de agua superficial deben tener la capacidad de excluir del agua los desechos, peces, sedimentos y otros materiales. En los últimos años, ha aumentado la necesidad de una exclusión eficaz de los sólidos presentes en el agua. Los sistemas de riego modernos (p. ej., goteo, aspersores, válvulas, bombas) necesitan un mayor filtrado que el riego por inundación convencional. Se requiere la remoción sedimentos para proyectos de captación de agua a pequeña escala en áreas distantes, especialmente en aquellas que se encuentran en zonas agrestes de difícil acceso que limita o impide realizar las actividades de operación y mantenimiento con regularidad. Uno de los métodos más utilizados para la captación de agua superficial en ríos de montaña con fuertes pendientes y cauces irregulares con importante transporte de sedimentos y caudales de inundación, son las rejas de fondo. Las rejas están diseñadas para capturar la mayor cantidad de agua posible, evitando la entrada de material sólido. Un tipo de reja de fondo no convencional con barras transversales al flujo que se utiliza con excelentes resultados en la separación sólido líquido en la captación de agua superficial, es la denominada reja de efecto Coanda. En la presente investigación se estudió de manera experimental y numérica el funcionamiento hidrodinámico local de rejas de fondo con barras transversales al flujo. En la fase experimental se trabajó con agua limpia y con sedimento. En la fase numérica se trabajó con agua limpia. Las características más relevantes de las rejas estudiadas y que las diferencian considerablemente de las rejas de fondo convencionales, son la disposición de las barras respecto al sentido del flujo, la inclinación longitudinal y la separación entre barras. La ranura estándar de una reja de efecto Coanda es de 1mm, en el presente estudio se utilizaron separaciones de 1 y 2mm. El funcionamiento de las rejas consiste en un flujo de agua en régimen supercrítico que pasa sobre barras dispuestas perpendicularmente a la dirección del flujo. Se utilizó como base la reja de efecto Coanda con barras estándar de sección triangular o tipo cuña. Con fines comparativos y de factibilidad constructiva y económica, se evaluaron dos formas de barra alternativas de sección circular y semicircular. El uso de las rejas está orientado a la captación de agua superficial para consumo en poblaciones rurales menores a 1000 habitantes de países en desarrollo como Ecuador, por tal razón el caudal que se utilizó para todos los experimentos fue de 2.5 L/s. Para la experimentación física se construyó un prototipo de laboratorio, este consiste en un canal rectangular prismático de pendiente ajustable, las características geométricas del canal son: longitud 2m; ancho 9.3 cm, rango angular de la pendiente de 20° a 45° respecto a la horizontal. El objeto principal fue determinar la eficiencia de las rejas en cuanto a captación de agua limpia, así como a la remoción de sedimento. Los resultados de la experimentación física demuestran que la reja de barras de sección triangular es más eficiente en cuanto a captación de agua limpia, mientras que, en términos de exclusión de sedimento, el mejor rendimiento lo presenta la reja de barras de sección circular. La experimentación numérica se desarrolla con el uso del código ANSYS FLUENT. Un estudio paramétrico CFD en 2D fue desarrollado para evaluar la influencia sobre el flujo de agua limpia capturado de variables geométricas como la inclinación de la reja, posición de la reja a lo largo del canal (zonas alta, media, baja); forma y ancho de la barra, tamaño de ranura. Se determina la tendencia de los flujos capturados en forma total y para cada ranura de las rejas estudiadas. Se evalúa el rendimiento de cada tipo de reja utilizando parámetros adimensionales relevantes como el número de Froude y el número de Reynolds cuyas longitudes características para su cálculo fueron la profundidad del flujo y la separación entre barras respectivamente. Los experimentos numéricos demuestran que las rejas con barras de sección triangular y circular tienen comportamientos opuestos. Las rejas con barras de sección triangular son más eficientes en términos de flujo capturado a medida que aumentan los números de Froude y de Reynolds, mientras que las rejas de barras de sección circular son más eficientes a medida que las variables adimensionales disminuyen. Los experimentos numéricos con números de Froude y Reynolds iguales, demostraron una mayor eficiencia en las rejas de barras triangulares sobre las de barras circulares de igual tamaño y separación. Se ha demostrado que aumentar el diámetro de las barras mejora la eficiencia del flujo capturado a un nivel similar al de las rejas de barras triangulares.