Toro Labbé, Juan PabloBlanc Rivas, Alex IvánFacultad de Ingeniería2023-01-192023-01-192022https://repositorio.unab.cl/xmlui/handle/ria/36212Memoria (Ingeniero Civil)En la presente memoria se aborda el estudio numérico del flujo de agua en la región no aireada de tres vertederos escalonados de pendiente constante e igual a 51,34°.Los tres casos modelados denominados Caso A, Caso Base y CaseB tienen escalones de geometría variable con relaciones de altura/anchode10/8, 5/4 y 2,5/2, respectivamente. Estas relaciones corresponden a tamaños de cavidad(𝐾𝑠)de 6,26, 3,13 y 1,57 cm respectivamente, los cuales son indicativos del tamaño de la macro-rugosidad sobre el cual el flujo debe pasar. Con esto se busca dilucidar el efecto que tiene el tamaño de la cavidad sobre las variables medias del flujo tales como velocidad, altura de aguas, distribución de presiones, energía cinética turbulenta y tasa de disipación de la energía cinética turbulenta. Los tres modelos fueron implementados haciendo uso del software Open FOAM y considerando las ecuaciones promediadas de Navier-Stokes junto con el modelo de turbulencia k-εestándar.Los resultados numéricos indican que, a mayor tamaño de cavidad, mayor es también la velocidad en la cavidad. Sin embargo, las velocidades fuera de la cavidad no parecieran están influenciadas por el tamaño de la cavidad dada la similitud de la distribución de velocidades en la columna de agua entre los distintos vertederos. Para un vertedero escalonado dado, las distribuciones de energía cinética y tasa de disipación de energía cinética turbulenta en los vértices de los peldaños pueden ser resumidas en una única curva, cuando la relación entre el tamaño de la cavidad y la altura de escurrimiento 𝐾𝑠𝑑⁄es menor a 0,8. Esto es, para los casos Base y B. Para el caso A, que tiene la rugosidad mayor, la auto similaridad en la distribución no es tan clara. También se obtuvo, que los valores máximos de estas estadísticas de la turbulencia crecen con el tamaño de la cavidad. Respecto a la distribución de presiones dentro de las cavidades, el Caso B es el único que tiene una distribución mayor a la hidrostática, atribuible a lo pequeño de la cavidad. Los otros dos casos, presentan valores menores a la hidrostática, con valores incluso negativos. Las presiones medidas en los vértices de los escalones en la columna de agua siguen una distribución mayor a la hidrostática para los tres casos estudiados. En los casos B y Base las presiones máximas se ubican muy cerca del vértice de los escalones. De manera diferente, se obtuvo que para el caso A, con mayor tamaño de cavidad, las presiones máximas se ubican aproximadamente a un 20% de la altura de aguas.This thesis discusses the numerical study of water flow in the non-aerated region of three stepped spillways havinga constant slope of51.34°. The three modeled cases named Case A, Base and B have steps of variable geometry with height/width ratios of 10/8, 5/4 and 2.5/2, respectively. These ratios correspond to cavity sizes (𝐾𝑠) of 6.26, 3.13 and 1.57 cm respectively, which are indicative of the size of the macro-roughness over which the flow must pass. This is to elucidatethe effect ofthe cavity size on the mean flow variables such as velocity, water depth, pressure distribution, turbulent kinetic energy, and dissipation rateof turbulent kinetic energy. The three models were implemented usingthe softwareOpenFOAM and considering the averaged Navier-Stokes equations together with the standard k-ε turbulence model.Numerical results indicate that, the larger the cavity size, the higher the velocity in the cavity. However, the velocities outside the cavity do not appear to be influenced by the cavity size given the similarity of the velocity distributionsin the water column amongthe different spillways. For a given steppedspillway,thedistributionsofturbulent kinetic energy andrate of dissipation of turbulent kinetic energy at the step edgescan be summarized in a single curve when the ratio of cavity size to water depth𝐾𝑠𝑑⁄is smallerthan 0.8. Thisis, for Base and B cases. For case A, which has the higher roughness, a self-similardistribution is not so clear. It was also found that the maximum values of these turbulence statistics increase with the cavity size.Regarding pressuredistributionsinside the cavities, Case B is the only one that has a distribution higher than the hydrostaticdistribution, attributedto the small size of the cavity. The other two cases present values lower than hydrostaticdistribution, with even negative values. The pressures measured at the step edgesin the water column follow a distribution which is greater than the hydrostatic for the three cases studied. In cases B and Base, the maximum pressures are located very close to the step edges. Differently, for case A, with larger cavity size, the maximum values of pressureare located approximately at 20% of the water depth.esVertederos EscalonadosModelos MatemáticosSimulación por ComputadorTesis