MODELOS HIDRÁULICOS

JORGE GUERRERO GALEANO

SAMUEL ENRIQUE CÉSPEDES

ALGUNOS CONCEPTOS DE HIDRÁULICA Análisis dimensional: El análisis dimensional es una herramienta que

permite simplificar el estudio de cualquier fenómeno en el que estén involucradas muchas magnitudes físicas en forma de variables independientes

Semejanza hidráulica: se refiere a la similitud dinámica cinetica o goemtrica que existe entre el prototipo y el modelo

Teorema de pi(π) de Buckingham: El teorema establece que dada una relación física expresable mediante una ecuación en la que están involucradas n magnitudes físicas o variables, y si dichas variables se expresan en términos de k cantidades físicas dimensionalmente independientes

ALGUNOS CONCEPTOS DE HIDRÁULICA Flujo permanente: Este tipo de flujo se caracteriza porque

las condiciones de velocidad de escurrimiento en cualquier punto no cambian con el tiempo, o sea que permanecen constantes con el tiempo o bien, si las variaciones en ellas son tan pequeñas con respecto a los valores medios.

Flujo no permanente: En este tipo de flujo en general las propiedades de un fluido y las características mecánicas del mismo serán diferentes de un punto a otro dentro de su campo, además si las características en un punto determinado varían de un instante a otro se dice que es un flujo no permanente

ALGUNOS CONCEPTOS DE HIDRÁULICA Numero de Reynolds:combinación adimensional aparece en muchos

casos relacionado con el hecho de que el flujo pueda considerarse laminar (número de Reynolds pequeño) o turbulento (número de Reynolds grande).

Numero de Froude: El número de Froude representa la razón entre las fuerzas de inercia y las fuerzas gravitatorias

ALGUNOS CONCEPTOS DE HIDRONÍMICA hidrodinámica estudia la dinámica de los líquidos.

Flujo: Movimiento de un fluido

Caudal: es la cantidad de fluido que pasa en una unidad de tiempo. Normalmente se identifica con el flujo volumétrico o volumen que pasa por un área dada en la unidad de tiempo.

ALGUNOS CONCEPTOS DE HIDRONÍMICA

Flujo incompresible: su densidad no varía con el cambio de presión, a diferencia de lo que ocurre con los gases;

Flujo compresible: muestran una variación significativa de la densidad como resultado de fluir, todos los fluidos son compresibles bajo las condiciones adecuadas

ALGUNOS CONCEPTOS DE HIDRONÍMICA Principio de Bernoulli: es una consecuencia de la conservación de la

energía en los líquidos en movimiento.

Ecuación de continuidad: expresa la ley de conservación de masa, en la relación que existe entre el volumen y el área de dos puntos de control

MODELOS HIDRÁULICOS En mecánica de fluidos

los métodos analíticos pueden quedarse cortos al momento de explicar algunos fenómenos, mediante el uso de modelos es posible estudiar con costos relativamente bajos y con alta precisión los fenómenos hidráulicos

Modelos hidráulicos

Verdaderos: con similitud geométrica cinética y dinámica

Distorsionados: deben tener similitud cinética y dinámica

OBJETIVOS DE LA MODELACIÓN

Analizar fenómenos que no pueden ser descritos por métodos analíticos

OBJETIVOS DE LA MODELACIÓN Controlar y manipular

rigurosamente cada una de las variables que intervengan en el fenómeno estudiado

OBJETIVOS DE LA MODELACIÓN Reducir costos y dar practicidad a los estudios sobre prototipos

LEYES DE SEMEJANZA CONDICIONANTES DEL DISEÑO Modelos a semejanza de Froude

Modelos a semejanza de Reynolds

Modelos a semejanza de Weber

SIMILITUD GEOMÉTRICA Esta similitud es

independiente de la clase de movimiento y contempla sólo similitud en la forma

SIMILITUD GEOMÉTRICA

La propiedad característica de los sistemas geométricamente similares es que la relación de cualquier longitud en el modelo con respecto a la longitud correspondiente en el prototipo, es en todas partes igual.

SIMILITUD CINÉTICA

La similitud cinemática implica similitud en el movimiento. Esto implica similitud de longitud (esto es similitud geométrica) y en adición similitud de intervalos de tiempo.

SIMILITUD DINÁMICA

La similitud dinámica entre dos sistemas geométrica y cinemática mente similares, requiere que la razón de todas las fuerzas homólogas (incluyendo la fuerza de inercia) en los dos sistemas sea la misma

MODELOS HIDRÁULICOS MATEMÁTICOS

El conjunto de hipótesis y relaciones de las variables que describen un fenómeno, constituyen unos modelos matemático (ecuaciones), que conduce a un problema matemático que es necesario resolver mediante apropiadas técnicas

MODELOS HIDRÁULICOS MATEMÁTICOS Modelos de simulación numérica:

Modelos determinísticos

Modelos estocásticos

Los métodos de diferencias finitas son capaces de simular algunos procesos que son imposibles de resolver con el simple cálculo. Ambos métodos resuelven las ecuaciones que tienen dominio continuo mediante la solución en un número finito de puntos discretos en dicho dominio, llamados nodos

MODELOS HIDRÁULICOS FÍSICOS

LIMITACIONES DE LA MODELACIÓN

LIMITACIONES DE LA MODELACIÓN

ESCALA DE LA HIDRÁULICA

Escala de los modelos hidraulicos

MODELOS FÍSICOS

Respecto a la semejanza geométrica con el prototipo.

Respecto a la movilidad y deformabilidad del contorno.

MODELO ANALÓGICOS

MODELOS MATEMÁTICOS

Determinísticos

Estocásticos

Simulación numérica

CLASIFICACIÓN DE LOS MODELOS HIDRÁULICOS

Es la simulación física de un fenómeno hidráulico, que ocurre en relación con una obra de ingeniería, en un sistema semejante simplificado que permite observarlo y controlarlo con facilidad, además confirmar la validez del diseño de la obra, optimizarla o tomar nota de los efectos colaterales, que deberán ser considerados durante la operación de la misma.

MODELOS FÍSICOS

Respecto a la semejanza geométrica con el prototipo:

Modelos Geométricamente semejantes.

Modelos geométricamente distorsionados

Respecto a la movilidad y deformabilidad del contorno:

Modelos de contorno fijo.

Modelos de contorno móvil.

Es la reproducción de un fenómeno en estudio de un prototipo en un sistema físico diferente al original (modelo), pero que aprovecha la similitud de las leyes matemáticas que gobiernan el fenómeno en ambos sistemas. Su uso no es muy frecuente en la actualidad.

Analogía entre un flujo a través de medios permeables y flujo laminar en capas delgadas.

Analogía entre flujo laminar y flujo turbulento.

Analogía entre un flujo a través de medios permeables y la deformación de una placa elástica bajo carga

Analogía eléctrica y otros fenómenos físicos (como hidráulicos, mecánicos, etc).

MODELOS ANALÓGICOS

APLICACIONES SIG EN MODELOS HIDRÁULICOS. Usando SIG y modelos hidráulicos (También hidrológicos) se pueden obtener y evaluar espacialmente las características y comportamiento de una cuenca o río.

Esto permite generar pronósticos y aplicaciones en el manejo de recursos hídricos y de calidad el agua.

INFORMACIÓN NECESARIA Topografía y modelo de elevación Digital

Información de uso de terreno o tipo de cobertura.

Mapas de suelos del área de estudio.

Características de los suelos.

Fotografías aéreas o satelitales

Información de las estaciones metereológicas o de aforo.

Límites, carreteras, etc.

OTRAS APLICACIONES Extraer información del terreno.

Generar niveles de inundaciones

Delimitar planicies inundables.

Analiza Riesgos, como niveles de agua, o velocidad.

Transporte de contaminantes.

Sedimentación.

Prevención de inundaciones.

Estimación de erosión.

Distribución de agua potable.

Canales de drenaje de aguas residuales.

FESWMS MODELING FESWMS is a hydrodynamic modeling code that supports both supercritical

and subcritical flow analysis. In two dimensional numerical modeling the equations solved by the model are based on the continuity of mass and momentum and assume depth averaged flow, as opposed to cross-section averaged flow in one dimensional modeling. The numerical model will take the conceptual model and give results (i.e., depths, velocities, etc).

Water levels and flow distributions at confluences of large rivers, in river bends around islands, at highway river crossings with more than one bridge opening, into and out of river diversion channels at dams and power plants, in river estuaries, in coastal marshes, in tidal lagoons and tidal inlets, and in bays and harbors can be calculated using FST2DH.

EPANET Software That Models the Hydraulic and Water Quality Behavior of Water Distribution

Piping Systems

EPANET is software that models water distribution piping systems. EPANET is public domain software that may be freely copied and distributed. It is a Windows 95/98/NT/XP program. EPANET performs extended period simulation of the water movement and quality behavior within pressurized pipe networks.

Pipe networks consist of pipes, nodes (junctions), pumps, valves, and storage tanks or reservoirs. EPANET tracks:

the flow of water in each pipe,

the pressure at each node,

the height of the water in each tank, and

the type of chemical concentration throughout the network during a simulation period,

water age,

source, and

tracing.

APLICACIONES design sampling programs,

study disinfectant loss and by-product formation,

conduct consumer exposure assessments,

evaluate alternative strategies for improving water quality, such as altering source use within multi-source systems,

modify pumping and tank filling/emptying schedules to reduce water age,

use booster disinfection stations at key locations to maintain target residuals, and

plan cost-effective programs of targeted pipe cleaning and replacement.

plan and improve a system's hydraulic performance,

assist with pipe, pump, and valve placement and sizing,

energy minimization,

fire flow analysis,

vulnerability studies, and

operator training.

STORM WATER MANAGEMENT MODEL (SWMM) The EPA Storm Water Management Model (SWMM) is a dynamic rainfall-

runoff simulation model used for single event or long-term (continuous) simulation of runoff quantity and quality from primarily urban areas.

SWMM The runoff component of SWMM operates on a collection of subcatchment areas on which rain falls and runoff is generated.

The routing portion of SWMM transports this runoff through a conveyance system of pipes, channels, storage/treatment devices, pumps, and regulators.

 SWMM tracks the quantity and quality of runoff generated within each subcatchment, and the flow rate, flow depth, and quality of water in each pipe and channel during a simulation period comprised of multiple time steps.

HEC-RAS (HYDROLOGIC ENGINEERING CENTERS RIVER ANALYSIS SYSTEM)

HEC-RAS is designed to perform one-dimensional hydraulic calculations for a full network of natural and constructed channels.

The HEC-RAS system contains four one-dimensional river analysis components for: (1) steady flow water surface profile computations; (2) unsteady flow simulation; (3) movable boundary sediment transport computations; and (4) water quality analysis.