Estudio hidrodinámico en modelo físico de un cuenco disipador con deflectores para la mitigación de gases totales disueltos

Autores
Romero, Federico
Año de publicación
2025
Idioma
español castellano
Tipo de recurso
tesis de grado
Estado
versión publicada
Colaborador/a o director/a de tesis
Tarrab, Leticia
Descripción
Tesis (MCI Mención Recursos Hídricos)--FCEFN-UNC, 2025
Fil: Romero, Federico. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales; Argentina.
El creciente aumento de la demanda energética otorga a los aprovechamientos hidroeléctricos un papel estratégico. Estas infraestructuras, por su relevancia, exigen un diseño riguroso que garantice tanto la seguridad estructural y minimice el impacto ambiental. Un ejemplo de esta necesidad se observa en los cuencos amortiguadores durante la operación de los aliviaderos. En estos órganos de descarga, resulta fundamental asegurar una adecuada disipación de energía y una restitución controlada del flujo al cauce natural. Fenómenos destructivos como la cavitación, la fatiga, las vibraciones, el desprendimiento de losas por pulsos de presión y la erosión deben estar debidamente estudiados para garantizar la integridad y funcionalidad de la obra. Desde el punto de vista ambiental, se destaca el elevado arrastre de aire atmosférico provocado por el resalto hidráulico, cuya influencia se extiende desde la superficie libre hasta el fondo. Este proceso puede generar altas concentraciones de gases disueltos en el agua debido a las presiones ejercidas en el fondo, alcanzando niveles significativos de sobresaturación de gases totales disueltos (GDT) aguas abajo de la estructura. Esta condición representa un riesgo potencial para la fauna ictícola, lo que acentúa la importancia de abordar estos aspectos durante la etapa de diseño. En esta tesis se aborda dicha problemática conjunta mediante el estudio experimental del funcionamiento de estructuras deflectoras incorporadas sobre la rápida de un vertedero. Estas estructuras tienen como objetivo principal modificar la configuración del flujo de ingreso al cuenco disipador, reorientándolo hacia la superficie, reduciendo el arrastre de aire y los niveles de GDT frente a los caudales menores, es decir, más frecuentes. Sin embargo, su inclusión resulta menos efectiva en la reducción del arrastre de aire bajo condiciones de máxima descarga y podría afectar la eficiencia en la disipación de energía. El trabajo comienza con un análisis teórico del estado del arte y un estudio de antecedentes en la temática, introduciendo conceptos clave como turbulencia, cavitación, incorporación de aire y sobresaturación de gases disueltos. Posteriormente, se describe la obra analizada, cuyo estudio se llevó a cabo experimentalmente en un modelo físico a escala reducida 1:50, construido en la Nave de Grandes Modelos del Laboratorio de Hidráulica del Instituto Nacional del Agua (Ezeiza, Argentina). Este modelo incluye un vertedero tipo WES, una rápida inclinada a 45°, un cuenco disipador de energía y un canal de restitución. A continuación, se detallan las principales características del modelo, la instrumentación, el equipamiento de medición utilizado y los escenarios evaluados. Los resultados obtenidos se presentan en dos etapas. En primer lugar, se selecciona la configuración óptima de la estructura deflectora en función de su posición y longitud. Para esto se evalúa una serie de variantes geométricas y su impacto sobre el comportamiento hidrodinámico y la incorporación de aire en el cuenco para una gama de caudales. En segundo lugar, definida la alternativa, se realizan mediciones complementarias del campo de presiones y velocidades, tanto medias como fluctuantes, con el fin de caracterizar y cuantificar el comportamiento hidrodinámico del flujo en el cuenco disipador. Cabe destacar que, aunque la escala del modelo físico no permite reproducir sin distorsión el fenómeno de incorporación de aire, este estudio posibilita comparar y optimizar las distintas variantes propuestas a partir de un análisis cualitativo de la configuración del flujo y reducción de arrastre de aire, y cuantitativo respecto al desempeño del cuenco y la disipación de energía. Los resultados muestran que la incorporación de estructuras deflectoras en la rápida del vertedero reduce de manera efectiva el arrastre de aire en las capas más profundas de la columna líquida, para los caudales más recurrentes, sin comprometer la seguridad estructural ni el desempeño hidrodinámico del cuenco disipador durante las máximas descargas.
The growing increase in energy demand grants hydroelectric developments a strategic role. These infrastructures, due to their relevance, require rigorous design to ensure structural safety while minimizing environmental impacts. An example of this need can be observed in stilling basins during spillway operation. In these discharge structures, it is essential to guarantee adequate energy dissipation and a controlled restitution of the flow to the natural channel. Destructive phenomena such as cavitation, fatigue, vibrations, slab detachment due to pressure pulses, and erosion must be thoroughly analyzed to safeguard the integrity and functionality of the structure. From an environmental point of view, the high drag of atmospheric air caused by the hydraulic jump stands out, whose influence extends from the free surface to the channel bottom. This process can generate high concentrations of dissolved gases in the water due to the pressures at the bottom, reaching significant levels of total dissolved gas (TDG) supersaturation downstream of the structure. This condition represents a potential risk to fish fauna, which emphasizes the importance of addressing these aspects during the design stage. This thesis examines this combined problem through an experimental study of the performance of deflector structures incorporated on the spillway chute. The main objective of these structures is to modify the configuration of the inflow into the dissipation basin, redirecting it toward the surface, reducing the air entrainment and TDG levels compared to lower flows. However, under maximum discharge conditions their effectiveness decreases, and they may affect energy dissipation efficiency. The paper begins with a theoretical analysis of the state of the art and a review of background studies, introducing key concepts such as turbulence, cavitation, air entrainment, and dissolved gas supersaturation. Subsequently, the analyzed structure is described, based on an experimental study using a 1:50 scale physical model built in the Large Models Building of the Hydraulic Laboratory at the National Water Institute (Ezeiza, Argentina). The model includes a WES-type spillway, a 45° inclined chute, an energy-dissipating stilling basin, and a restitution channel. The main characteristics of the model, the instrumentation and measurement equipment, and the evaluated scenarios are then detailed. The results are presented in two stages. First, the optimal configuration of the deflector is determined based on its position and length, evaluating a series of geometric variants and their impact on hydrodynamic behavior and air entrainment in the stilling basin for a range of discharges. In second place, complementary measurements of the pressure and velocity fields, both average and fluctuating, are performed to characterize and quantify the hydrodynamic behavior of the flow in the stilling basin. It should be noted that, although the physical model scale does not allow the air entrainment phenomenon to be reproduced without distortion, this study enables the evaluation and optimization of the proposed alternatives through a qualitative analysis of flow configuration and air entrainment reduction, as well as a quantitative assessment of the basin’s performance and energy dissipation. The results show that the incorporation of deflector structures on the spillway chute effectively reduces air entrainment in deeper areas under recurrent flow conditions, without compromising the structural safety or hydrodynamic performance of the stilling basin during maximum discharges.
Fil: Romero, Federico. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales; Argentina.
Materia
TECHNOLOGY
TECHNOLOGY::Civil engineering and architecture
TECHNOLOGY::Civil engineering and architecture::Water engineering
INTERDISCIPLINARY RESEARCH AREAS
Tesis MCI
Maestría Ciencias de la Ingeniería Mención Recursos Hídricos
Recursos Hídricos
Represas
Nivel de accesibilidad
acceso abierto
Condiciones de uso
Repositorio
Repositorio Digital Universitario (UNC)
Institución
Universidad Nacional de Córdoba
OAI Identificador
oai:rdu.unc.edu.ar:11086/563021

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En estos órganos de descarga, resulta fundamental asegurar una adecuada disipación de energía y una restitución controlada del flujo al cauce natural. Fenómenos destructivos como la cavitación, la fatiga, las vibraciones, el desprendimiento de losas por pulsos de presión y la erosión deben estar debidamente estudiados para garantizar la integridad y funcionalidad de la obra. Desde el punto de vista ambiental, se destaca el elevado arrastre de aire atmosférico provocado por el resalto hidráulico, cuya influencia se extiende desde la superficie libre hasta el fondo. Este proceso puede generar altas concentraciones de gases disueltos en el agua debido a las presiones ejercidas en el fondo, alcanzando niveles significativos de sobresaturación de gases totales disueltos (GDT) aguas abajo de la estructura. Esta condición representa un riesgo potencial para la fauna ictícola, lo que acentúa la importancia de abordar estos aspectos durante la etapa de diseño. En esta tesis se aborda dicha problemática conjunta mediante el estudio experimental del funcionamiento de estructuras deflectoras incorporadas sobre la rápida de un vertedero. Estas estructuras tienen como objetivo principal modificar la configuración del flujo de ingreso al cuenco disipador, reorientándolo hacia la superficie, reduciendo el arrastre de aire y los niveles de GDT frente a los caudales menores, es decir, más frecuentes. Sin embargo, su inclusión resulta menos efectiva en la reducción del arrastre de aire bajo condiciones de máxima descarga y podría afectar la eficiencia en la disipación de energía. El trabajo comienza con un análisis teórico del estado del arte y un estudio de antecedentes en la temática, introduciendo conceptos clave como turbulencia, cavitación, incorporación de aire y sobresaturación de gases disueltos. Posteriormente, se describe la obra analizada, cuyo estudio se llevó a cabo experimentalmente en un modelo físico a escala reducida 1:50, construido en la Nave de Grandes Modelos del Laboratorio de Hidráulica del Instituto Nacional del Agua (Ezeiza, Argentina). Este modelo incluye un vertedero tipo WES, una rápida inclinada a 45°, un cuenco disipador de energía y un canal de restitución. A continuación, se detallan las principales características del modelo, la instrumentación, el equipamiento de medición utilizado y los escenarios evaluados. Los resultados obtenidos se presentan en dos etapas. En primer lugar, se selecciona la configuración óptima de la estructura deflectora en función de su posición y longitud. Para esto se evalúa una serie de variantes geométricas y su impacto sobre el comportamiento hidrodinámico y la incorporación de aire en el cuenco para una gama de caudales. 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The growing increase in energy demand grants hydroelectric developments a strategic role. These infrastructures, due to their relevance, require rigorous design to ensure structural safety while minimizing environmental impacts. An example of this need can be observed in stilling basins during spillway operation. In these discharge structures, it is essential to guarantee adequate energy dissipation and a controlled restitution of the flow to the natural channel. Destructive phenomena such as cavitation, fatigue, vibrations, slab detachment due to pressure pulses, and erosion must be thoroughly analyzed to safeguard the integrity and functionality of the structure. From an environmental point of view, the high drag of atmospheric air caused by the hydraulic jump stands out, whose influence extends from the free surface to the channel bottom. This process can generate high concentrations of dissolved gases in the water due to the pressures at the bottom, reaching significant levels of total dissolved gas (TDG) supersaturation downstream of the structure. This condition represents a potential risk to fish fauna, which emphasizes the importance of addressing these aspects during the design stage. This thesis examines this combined problem through an experimental study of the performance of deflector structures incorporated on the spillway chute. The main objective of these structures is to modify the configuration of the inflow into the dissipation basin, redirecting it toward the surface, reducing the air entrainment and TDG levels compared to lower flows. However, under maximum discharge conditions their effectiveness decreases, and they may affect energy dissipation efficiency. The paper begins with a theoretical analysis of the state of the art and a review of background studies, introducing key concepts such as turbulence, cavitation, air entrainment, and dissolved gas supersaturation. Subsequently, the analyzed structure is described, based on an experimental study using a 1:50 scale physical model built in the Large Models Building of the Hydraulic Laboratory at the National Water Institute (Ezeiza, Argentina). The model includes a WES-type spillway, a 45° inclined chute, an energy-dissipating stilling basin, and a restitution channel. The main characteristics of the model, the instrumentation and measurement equipment, and the evaluated scenarios are then detailed. The results are presented in two stages. First, the optimal configuration of the deflector is determined based on its position and length, evaluating a series of geometric variants and their impact on hydrodynamic behavior and air entrainment in the stilling basin for a range of discharges. In second place, complementary measurements of the pressure and velocity fields, both average and fluctuating, are performed to characterize and quantify the hydrodynamic behavior of the flow in the stilling basin. It should be noted that, although the physical model scale does not allow the air entrainment phenomenon to be reproduced without distortion, this study enables the evaluation and optimization of the proposed alternatives through a qualitative analysis of flow configuration and air entrainment reduction, as well as a quantitative assessment of the basin’s performance and energy dissipation. The results show that the incorporation of deflector structures on the spillway chute effectively reduces air entrainment in deeper areas under recurrent flow conditions, without compromising the structural safety or hydrodynamic performance of the stilling basin during maximum discharges.
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