mecánica de fluidos

1. XXII CONGRESO NACIONAL DE HIDRÁULICA
AMH
ACAPULCO, GUERRERO, MÉXICO, NOVIEMBRE 2012
AMH
DETERMINACIÓN DEL CAMPO DE VELOCIDADES AL INTERIOR DE UN TANQUE
AMORTIGUADOR
Álvarez Celso Irving Juvenal, Pedrozo Acuña Adrián, Gutiérrez Valencia Cesar y Capella
Vizcaíno Antonio
Instituto de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México, Cd. Universitaria, Coyoacán, 04510, D.F.,
México
IAlvarezC@iingen.unam.mx, APedrozoA@iingen.unam.mx, CGutierrezV@iingen.unam.mx,
ACapellaV@iingen.unam.mx
Introducción
En los últimos años, el vertedortipo cimacio ha recibido gran
atención debido a su capacidad de poder pasar con seguridad
los flujos excesivos en las presas (NAME), lo que motivó su
amplio uso como una estructura de descarga de agua (USACE,
1988; USBR , 1973). Sin embargo, como se ha señalado por
Savage y Johnson (2001) una pequeña desviación de las
condiciones del flujo aguas arriba, la forma de cresta, o
alteraciones durante la construcción puede modificar las
propiedades de flujo a través de la estructura.
Debido a la sensibilidad observada en el flujo por las
condiciones de la forma del vertedor, se han fomentado
estudios a dicha estructura. Estos incorporan los resultados
numéricos y experimentales con el fin de llevar a cabo una
mejor evaluación de su rendimiento hidráulico (Savage y
Johnson, 2001; Johnson y Savage, 2006).
Análisis numéricos reportados en investigaciones anteriores se
han centrado principalmente en el flujo a través de la propia
estructura (por ejemplo, la cresta del vertedor), utilizando la
teoría del potencial y la cartografía en el plano potencial
complejo (Cassidy, 1965), o el empleo de elementos finitos
lineales y el principio de variación (Betts, 1979;. Li et al,
1989, Guo et al, 1998). Más recientemente, Unami et al.
(1999) utilizaron métodos de elementos de volumen finito
para el desarrollo de un modelo numérico que resuelve las dos
dimensiones ecuaciones de flujo libre de superficie. Entre
otros, este esfuerzo demuestra el gran potencial de las
herramientas matemáticas en el diseño hidráulico de
vertederos.Losmodelos numéricos han permitido la aplicación
de descripciones matemáticas complicadas a este problema.
En particular, un conjunto de expresiones matemáticas se han
visto favorecidas en su uso, como son las promediadas de
Reynoldsmejor conocidas como las ecuaciones de NavierStokes. Hasta el momento, la investigación numérica utilizada
en este tipo de modelo ha mostrado su aplicabilidad en el flujo
de descarga, superficie del agua, y las presiones de la cresta en
un vertedor. Sinembargoúltimamente, Johnson y Savage
(2006) incorporó asus resultados, la evaluación del flujo en el
tanque amortiguador al pie del cimacio y el análisis de su
rendimiento.
Los tanques amortiguadores, situados al pie del vertedor, se
utilizan normalmente para proteger el lecho del río debido a
los flujos supercríticos resultantes de los jets hidráulicos
producidos por los vertedores. Por lo tanto, la disipación de
energía tiene lugar dentro de ellos en forma de turbulencia.
Sin embargo, si el nivel de turbulencia sigue siendo
significativo, esto puede provocar una erosión local en la
región de aguas abajo. Por lo tanto, no es sorprendente
encontrar un número de estudios experimentales que se
centran en la generación de erosión local (Breusers y
Raudkivi, 1991; Hoffmans y Verheij, 1997).
A pesar de los avances del conocimiento en laactualidadsea
despreciado el efecto del campo de velocidades dentro del
tanque amortiguador, normalmente colocado al pie de los
cimacios. La caracterización hidráulica de este flujo es de gran
importancia, ya que tiene un efecto directo sobre la integridad,
la estabilidad y seguridad de la estructura.
El campo de velocidades dentro de un tanque amortiguador al
pie del vertedor tipo cimacio es muy complejo, ya que en esta
región se desarrolla un cambio de régimen que va desde
supercrítico a subcrítico dando lugar a un salto hidráulico
ahogado (Johnson y Savage, 2006). El análisis de la
hidrodinámica de estos tipos de flujo no ha sido
desarrolladoen modelos experimentales debido al gran reto
que implica la medición de los flujos turbulentos, incluso con
el
más
avanzado
equipo
hidrodinámico
(por
ejemploVelocímetros acústicos y tubo de Pitot). El principal
inconveniente de los instrumentos intrusivos es que pueden ser
afectados por la presencia de burbujas de aire tal efecto
también altera de igual amanera a técnicas no intrusivas como
son los equipos Anemómetro Láser Doppler (LDA o LDV) o
Velocímetro de Imagen de Partículas (PIV) (Petti y Longo,
2001).
Estudios previos encaminados a la adquisición de las
mediciones dentro de los flujos turbulentos, han señalado que
la metodología mas confiable es la sonda dentro de la fase
intrusiva, empleada en estudios de laboratorio ( Caín y Wood,
1981a, 1981b; Chanson, 2002; Chanson y Carosi, 2007).
Aunque este método puede ser útil para medir perfiles de
velocidad por la repetición de mediciones en un punto, una
desventaja es que no proporciona una caracterización
completa de la naturaleza espacial del campo de velocidades.
En el caso del tanque amortiguador, las altas velocidades del
flujo se caracterizan por tener grandes cantidades de aire
atrapado. Por lo tanto, en esta investigación se emplea una
técnica no intrusiva llamada velocimetría por trazado de
trazado de burbujas (BIV, por sus siglas en inglés) (Ryu et al.,
2005), lo que permite medir la velocidad del flujo en zonas de
turbulencia, donde PIV o LDA son ineficaces. Anteriormente,
el método BIV ha sido utilizado con éxito para medir el
campo de velocidadesen la rotura de olas en las proximidades
de estructuras verticales (Ryu et al 2005;. Ryu et al 2007;. Ryu
y Chang 2008), así como la propagación de la rotura de un ola
cuando incide sobre una pendiente impermeable (PedrozoAcuña et al 2011; Rivillas-Ospina et al 2012).

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Este estudio presenta la utilización del BIV para este
propósito. Así, las mediciones se utilizan para dilucidar los
cambios en el campo de velocidades dentro del tanque
amortiguador inducida por diferentes cargas que pasan sobre
la estructura hidráulica. Este trabajo está organizado de la
siguiente manera. El montaje experimental se describe en la
Sección 2. Sección 3 proporciona los resultados de la
naturaleza del campo de flujo derivado por el método de BIV,
en términos de la magnitud de la velocidad y perfiles de
velocidad en distintos lugares dentro del tanque amortiguador.
Finalmente, la sección 4 presenta la discusión y las
conclusiones derivadas de esta investigación.
Arreglo experimental
Instalaciones de prueba.
Los experimentos se llevaron a cabo en las instalaciones del
Laboratorio de Hidráulica en el Instituto de Ingeniería de la
Universidad Nacional de México. Un vertedor tipo cimacio
fue construido, seguido de un tanqueamortiguador en el que se
ajustó una pared de acrílico (ver Figura 1). Este tipo de pared
permitió la observación de la hidrodinámica dentro del tanque
amortiguador, y por consiguiente la utilización de la técnica de
trazado de burbujas para mediciones del flujo. El modelo
físico fue construido para reproducir el comportamiento
hidráulico de la estructura de desbordamiento construido en
Chiapas, México, conocida como Presa Nezahualcóyotl, que
se encuentra en el río Grijalva. Las características
geométricasdel modelo son 1.0 m de ancho y 2.79m desde el
fondo del tanque a la altura de la cresta. La altura del tanque
amortiguador es de 1.10 m y tiene una longitud de 3.0 m,
mientras que la longitud de todo el modelo es 6.2 m. El agua
se suministra al modelo por medio del flujo por gravedad
desde un depósito superior (5.0mx5.0mx5.0m) donde el agua
se bombea. A fin de garantizar una velocidad de flujo
constante en el modelo físico, la profundidad del agua en el
interior de este depósito se fija mediante el uso de compuertas.
Para evitar la presencia de efectos laterales dentro del tanque
amortiguador, al modelo original se le realizaron
modificaciones, quedando un ancho del tanque de 0.2m, dicha
modificación se realizó con la colocación de pared de madera
dentro del modelo físico (ver Figura 1b).
Figura 1. a) Fotografía del modelo físico utilizado en este estudio;
b) Definición del vertedor tipo cimacio y sus dimensiones.
Técnica de trazado de burbujas (BIV).
El programa experimental incluyó mediciones detalladas de
velocidad para seis pruebas con diferentes cargas antes de la
cresta (hcresta) y descarga (ver Tabla 1). Se definen tres
posiciones diferentes de la cámara con el propósito de cubrir
toda la longitud del tanque. La caracterización del flujo en
cada posición se llevó a cabo por medio de 5 repeticiones de
grabaciones de vídeo. Así, más de 75.000 imágenes se
recogieron para cada corrida compuesta por tres posiciones. El
procesamiento de imágenes por medio de la técnica del
trazado de burbujas (BIV), lo que permite el cálculo del
promedio de la velocidad del flujo a lo largo del todo el tanque
y la extracción de los perfiles de velocidad en diferentes
puntos.
La configuración experimental para la técnica no intrusiva
BIV se muestra en la figura. 2, donde se observa el
equipamiento basándose utilizado en el trabajo a), la
iluminación de fondo b) y la localización de la cámara de alta
velocidad c) (Fastec HighSpec 1). Fuente de luz fue
proporcionada por dos luces Fresnel (650W), situados en
ambas esquinas del dominio de interés y con una luz a cara
descubierta (650W) situado por encima del tanque
amortiguador (ver Figura 3).
Figura 2. Evidencia fotográfica del sistema de estudio; a)Tanque
amortiguador b) Iluminación trasera; c) Posición de la cámara.

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La adquisición de datos esta compuesta por unatoma durante
3.0 segundos a una velocidad de 1077 fps con una resolución
de 896 × 642. Con el fin de adquirir fotografías con una mejor
calidad, las pruebas experimentales se llevaron a cabo durante
la noche (un horario de 7-10pm). La abertura de la cámara se
fijó con un número f entre 3 y 4, y la distancia L fue de 1,50
m. La figura 3 muestra una representación esquemática de la
configuración para la aplicación de la técnica de BIV. La
cámara estaba montada perpendicular a la dirección del flujo
delante de la pared de vidrio del tanque amortiguador (ver
Fig.2c).
Figura 3. Técnica del trazado de burbujas (BIV).
Ryu et al. (2005) y Pedrozo-Acuña et al. (2011), emplearonla
técnica de Trazado de Burbujas para obtener el campo de
velocidad dentro del tanque amortiguador donde el contenido
de aire en flujo es alta debido a la transición de régimen
supercrítico a uno subcrítico. De una manera similar a una
imagen de la partícula velocimetría (PIV) del sistema, esta
técnica deriva del campo de velocidad dentro del fluido a
través de la correlación cruzada de las imágenes obtenidas por
una cámara de vídeo de alta velocidad. Las imágenes son de
color invertido con el fin de permitir una mejor identificación
de las burbujas en las fotografias. Este enfoque, conocido
como grafo de sombras, ha sido considerada como una buena
técnica para la obtención de una revisión rápida de la
corriente, especialmente cuando altas velocidades están
presentes (Merzkirch, 1987). Según ha informado RivillasOspina et al. (2012), este método ha sido ampliamente
utilizado para el estudio experimental de los flujos de dos
fases, en combinación con algoritmos de correlación
cruzada(por ejemplo Hassan et al, 1998; Nishino et al, 2000;
Lindken y Merzkirch, 2002).
En el caso del tanque amortiguador de este estudio, los niveles
elevados de aire(burbujas) en las imágenes, permite la
aplicación y el uso de esta técnica en fotografías consecutivas.
Para la determinación de los vectores de velocidad y la
diferencia cuadrática mínima (MQD) se utilizó el algoritmo de
(Gui y Merzkirch, 1996). Esta decisión fue tomada después de
que Gui y Merzkirch (2000) informaron que este método
proporciona mejores resultados que los obtenidos usando
métodos convencionales basados en métodos de correlación.
La utilización con éxito de esta técnica requiere la definición
de ciertos parámetros ópticos y la cámara, tales como la
distancia nodal L, la profundidad límite de campo (DOF) y el
campo de visión (FOV). La primera de las cuales representa la
distancia de la cámara a la que la lente se centra, mientras que
la segunda representa una región en la que los objetos
AMH
aparezcan nítidos y bien enfocados, y la tercera indica el
tamaño del plano de la fotografía.
Resultados
Campo de velocidades en el tanque amortiguador.
El objetivo principal de esta investigación es determinar
experimentalmente la naturaleza del campo de velocidades
dentro de un taque amortiguador al pie de un cimacio. La
importancia de las mediciones presentadas, es que
proporcionan un conjunto de datos únicos que revela la
naturaleza de la hidrodinámica dentro de un tanque
amortiguador. Este tipo de estructuras son de gran
importancia, ya que se utilizan normalmente en el diseño de
las presas. Además, se reconoce que las mediciones permitirán
la comparación y validación de diferentes modelos numéricos
que se emplean en el diseño de dichas estructuras. Las
mediciones con diferentes valores de carga se utilizan para
apreciar los cambios del campo velocidades dentro de del
tanque.
La Figura 4 ilustra la técnica de trazado de burbujas BIV,
para tres condiciones de prueba que se caracterizan por el
valor dela carga total. El flujo en las imágenes va de derecha a
izquierda, mientras que las diferentes filas muestran los
resultados para cada posición de la cámara requeridas para
capturar la hidrodinámica dentro del tanque amortiguador. Los
paneles de la fila superior de esta figura, muestran los
resultados para el caso (hverttedor = 23cm), donde la trubulebcia
queda cerca de la parte inferior del tanque amortiguador. La
extensión de este flujo cubre los primeros dos metros
(posición 1 y 2) del tanque amortiguador.
Figura 4. Resultados utilizando la Técnica del trazado de
burbujas (BIV), bajo tres condiciones de carga (hvertedor = 23 cm,
hvertedor = 16 cm, hvertedor = 11 cm)
Por otro lado, la fila central de esta figura presenta un caso
intermedio en términos dela carga total registrada (hverttedor= 16
cm). Es evidente que, en comparación con el caso anterior, un
patrón similar del campo de velocidad se ilustra. Sin embargo,
en este caso, la turbulencia del chorro se quede cerca de la
primera parte del tanque amortiguador. Esto es confirmado
por la reducción de la longitud del chorro. Curiosamente, las
mediciones registradas en la posición 3 ilustran una
divergencia del flujo cerca de la superficie. Aquí, el flujo se
desplaza hacia la superficie y se divide entonces en dos

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direcciones horizontales, uno hacia la salida del tanque y otro
en dirección opuesta, un flujo de retorno. La concentración de
burbujasde este caso también se reduce en comparación con
hvertedor = 23cm. Esto se aprecia en la imagen en la posición 3,
donde la región cercana a la salida del tanque carece de la
presencia de las burbujas en el líquido. En este caso, las
velocidades del BIV derivadas de esta región no representan la
dinámica de fluidos reales. Esto es parte de las limitaciones
atribuidas a la técnica experimental implementada aquí.
Por último, las filas inferiores de la figura 4 presenta los
resultado del BIV bajo una carga mas pequeña (hvertedor = 11
cm), sólo dos posiciones de la cámara fueron necesarias
(Posiciones 1 y 2). El campo de velocidad que se ilustra en
estas imágenes revelan un comportamiento hidrodinámico
similar producido por un estado de energía menor. Esto se
verifica a través de la extensión limitada del chorro de agua ~
1,5 m, con un flujo de retorno horizontal cerca de la superficie
del agua.A pesar de que la condición representa un caso de
baja energía, la concentración de burbujas registrado es
todavía ideal para la aplicación de la técnica de BIV.
AMH
presencia de burbujas. Esto indica una de las limitaciones de
la técnica BIV. No obstante, debe tenerse en cuenta que el
campo de velocidad media presentan en las Figuras 4 y 5
revela una imagen clara de la hidrodinámica observada dentro
de un tanque amortiguador. Estas mediciones no pueden ser
adquiridas por otros medios tales como un sistema de PIV o
un ADV.
Perfiles de velocidad
Aparte de los campos de velocidad que se presentan en la
sección anterior, también es posible extraer los perfiles de
velocidad en cualquier ubicación y dirección. Por lo tanto, esta
sección se presenta el tipo de perfil de velocidad horizontal
media en varios lugares y en cada una de las tres posiciones
utilizadas para la toma de fotografías. Esto permite una
inspección más cercana de la naturaleza del flujo dentro del
tanque amortiguador.
Con el objeto de seguir investigando la magnitud de las
velocidades registradas para estas tres condiciones, la Figura 5
ilustra mapas de color de la magnitud de la velocidad media
dentro del tanque amortiguador para diferentes valores de
carga (imagen superior hvertedor = 23 cm; imagen media
hvertedor= 16 cm; imagen inferior hvertedor= 11 cm).
Figura 5. Mapa de velocidades (BIV), bajo tres condiciones de
carga (hvertedor = 23 cm, hvertedor = 16 cm, hvertedor = 11 cm)
Los resultados indican una clara diferencia en la magnitud de
los patrones de circulación generados por la velocidad media
calculada para las pruebas seleccionadas. Evidentemente, la
velocidad más alta está asociada a la mayor carga total con
hvertedor = 23cm, donde las velocidades (en la primera posición
de la cámara) son mayores que 250 cm/s. La magnitud de la
velocidad asociada a esta característica hidrodinámica se
redujo en relación con a carga total de cada ensayo, con
valores cercanos a 200 cm/s para hvertedor = 16 cm y 150 cm/s
para hvertedor = 11cm.Además, en los resultados de contorno del
mapa de colores, las áreas de manchas blancas son claramente
identificadas, Esto se atribuyen a la presencia de una
estructura de hierro construido para proporcionar soporte a la
pared de vidrio lateral, que aparece en las fotografías (véase la
figura 4). Por lo tanto, en estas pequeñas regiones la técnica
BIV no es capaz de calcular el valor de velocidad. Los
resultados para la posición 3 en el caso de hvertedor = 16 cm,
muestran una región blanca, donde no se han registrado
Figura 6. Perfiles de velocidad para diferentes puntos en el tanque
amortiguador a diferentes condiciones de carga para la posición 1
(hvertedor = 23 cm, hvertedor = 16 cm, hvertedor = 11 cm)
La figura 6 presenta los resultados obtenidos BIV en la
posición 1, donde el tanque amortiguador comienza. Para
mayor claridad, se muestran los perfiles de velocidad en 4
puntos en la imagen identificada por diferentes colores en el
panel. Además, tres perfiles de velocidad se ilustran para cada
ubicación, correspondientes a las diferentes pruebas que se
caracterizan por la carga total. Estos son hverttedor = 23cm
representada con una línea sólida,hverttedor= 16cm ilustrada con
una línea de trazos y hverttedor = 11cm identificada con una
línea punteada. La incorporación de tres diferentes
condiciones de ensayo en los gráficos, permiten una
comparación de magnitudes de velocidad y perfiles verticales
en términos de los flujos de descarga.
Panel a) de la figura 6 muestra los resultados de un punto
situado al pie el vertedor (ver cuadro verde). Para el caso de
descarga máxima (hverttedo = 23 cm; línea continua), la
velocidad pico alcanza 200 cm/s, mientras que en el caso de
una descarga intermedia (hverttedo = 16 cm; línea discontinua)
está cerca de 150 cm/s. Por último, en el caso de descarga

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inferior (hverttedo = 11 cm; línea de puntos), la velocidad
máxima es de sólo 100 cm/s. Curiosamente, la forma del perfil
de velocidad en esta ubicación y para todas las descargas es
muy similar, esto confirma que una descarga más grande sólo
intensifica el comportamiento hidráulico observado. El panel
b) de la misma figura ilustra los perfiles de velocidad vertical
en la primera ubicación en el tanque amortiguador, donde la
superficie de la cama es plana (identificada por el punto rojo
en el panel e).
Por otra parte, un flujo de retorno de menor magnitud que la
velocidad del chorro es identificado en una región superior,
cerca de la superficie del agua. La velocidad pico para el caso
de descarga máxima es ligeramente menor que 300 cm/s,
mientras que para el caso de descarga intermedia es 200
cm/s.En la prueba con el desempeño mínimo la velocidad
máxima es de ~ 150 cm/s. En esta ubicación, la estructura del
perfil de velocidad vertical muestra algunas diferencias en
relación con el flujo de descarga. De una manera similar a la
velocidad del chorro, la magnitud del flujo de retorno viajando
cerca de la superficie (valores de elevación entre 20-30cm) es
proporcional a la descarga. Como se ha señalado en los mapas
espaciales de la velocidad media de flujo, esta corriente
inversa es una consecuencia de la pérdida de energía
experimentada por el chorro sumergido en el extremo del
tanque.
En contraste, los paneles c) y d) muestran los perfiles
verticales de la velocidad media para otras ubicaciones de
aguas abajo del tanque. En efecto, en estas dos ubicaciones de
la estructura, los perfiles verticales de velocidad media
muestran un comportamiento muy similar, en el que para
todas las pruebas las magnitudes son muy parecidas tanto para
el pico de velocidad del chorro sumergido y el flujo inverso
cerca de la superficie. Además, las velocidades observadas
para el chorro sumergido en ambas posiciones (c y d),
confirman que en esta región se encuentra la máxima
velocidad.
La Figura 7 ilustra el mismo tipo de información, pero en una
ubicación más alejada al pie del cimacio dentro del tanque
amortiguador, a lo largo de la parte central de la ventana
identificada por posición de la cámara 2. Panel a) de la figura.
7 muestra una ligera reducción en la magnitud de la velocidad
del chorro sumergido en todos los casos. El perfil de velocidad
es similar en todos los casos, con una mejora clara del flujo en
las pruebas asociadas a los valores más altos de la cargadel
vertedor (hverttedor= 23 cm, línea continua y hverttedor = 16
cm; discontinua line). Esto se atribuye a la intensidad del
chorro sumergido, que para estos casos es lo suficientemente
fuerte como para mantener una alta velocidad a la parte
inferior, aunque reducida en comparación a la mostrada en la
Posición 1.
Figura 7. Perfiles de velocidad para diferentes puntos en el tanque
amortiguador a diferentes condiciones de carga para la posicion2
(hvertedor = 23 cm, hvertedor = 16 cm, hvertedor = 11 cm)
En la Figura 8 presenta los resultados del BIV en la posición
3, esto es en la última sección del tanque amortiguador, muy
cerca del punto de salida. Una vez más, cuatro puntos
diferentes de análisis se seleccionan dentro de esta posición de
la cámara. Estos son ilustrados por los diferentes símbolos en
el panel. Cabe destacar que en todos los paneles ilustrados en
esta figura (de b a d), sólo aparecen dos líneas diferentes
asociadas a los valores superiores de carga utilizada (hverttedor =
23 cm; línea continua y hhverttedor = 16 cm; línea discontinua).
En cuanto a la prueba de hverttedor = 11 cm, no fue posible
utilizar el método de BIV para determinar los valores de
velocidad en esta posición de la cámara debido al hecho de
que evento no puede producir un chorro suficientemente
fuerte. Por lo tanto, las burbujas no se transporta a la
ubicación. Panel a) de la figura 8 muestra los resultados de un
punto situado en las proximidades de la posición 2 (ver cuadro
verde, panel e). En este lugar, es evidente que la velocidad
pico asociado al chorro sumergido se reduce ligeramente.
Parahverttedr = 23 cm (línea continua) no hay mucho cambio en
el perfil de la velocidad que se observa en comparación con la
registrada en la posición 2. Por otro lado, la estructura del
perfil de velocidad para hhverttedor = 16 cm (línea discontinua)
muestra una imagen muy diferente a la registrada en la
posición anterior. Especialmente en la región de la columna de
agua cerca de la superficie del agua, cuando se identifica una
gran reducción de la inversión del flujo. Panel b) ilustra los
resultados para el perfil de velocidad vertical medida en el
punto identificado por el punto rojo en el panel. En este punto,
la mayor hverttedor = 23 cm (línea continua) muestra una
intensificación de la inversión del flujo cerca de la superficie
del agua, mientras que la velocidad pico asociado al chorro
sumergido se reduce sólo ligeramente. Por otra parte, la línea
discontinua que ilustra la hverttedor = 16 cm muestra un perfil
vertical casi uniforme a velocidades muy pequeñas a lo largo
de la columna de agua.
Los resultados mostrados en esta sección confirmar que la
forma del perfil de velocidad es una consecuencia directa de la
intensidad del chorro sumergido, que es a su vez esta

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relacionado con la carga total de aguas arriba de la cresta y la
descarga que fluye desde el vertedor tipo cimacio. El patrón
general del comportamiento hidráulico es similar en todas las
pruebas, siendo la única diferencia el tamaño de los patrones
de circulación observados dentro del tanuqe amortiguador.
Figura 8. Perfiles de velocidad para diferentes puntos en el tanque
amortiguador a diferentes condiciones de carga para la posicion 3
(hvertedor = 23 cm, hvertedor = 16 cm, hvertedor = 11 cm)
Comparaciónde los resultados con la “Técnica del trazado de
burbujas (BIV)” vs el modelo numérico Flow 3D
En otro punto de estudio se comparo los perfiles de velocidad
obtenidos bajo la técnica de trazado de burbujas con un
modelo numérico tridimensional, esto con la finalidad de
observa las diferencias en los perfiles de velocidad. Esto se
realizo utilizando las condiciones de hvertedor = 16 cm y
hvertedor = 11 cm.
El análisis se realizo a una distancia de cada 50 cm dentro del
tanque amortiguador, para una carga de 11 cm solo se
ocuparon 2 posiciones de la cámara detal manera que se
cubrieron cuatro puntos (P0, P50, P100 y P150cada imagen
con dos perfiles uno dado por el BIV y el otro por el modelo
numérico Flow3D.
Figura 9. Perfiles de velocidad a cada 50 cm para una carga de
hvertedor=11 cm
AMH
En la figura 9 se puede observar que en las primeras secciones
los perfiles tienen un comportamiento muy parecido, pero al
alejarse del pie del cimacio estos comienzan a diferir bastante,
esto se debe a que al tener menos velocidad en zonas muy
alejadas, la técnica del BIV no alcanza apreciar dichas
velocidades.
Para la carga de hvertedor = 16 cm se tiene 4 secciones, para esta
condición se utilizaron 3 posiciones de la cámara. En la figura
10 se muestra los perfiles para dichas posiciones cada una a
cada 50 cm. El comportamiento observado para esta condición
refleja un comportamiento muy parecido a la primera
condición, donde a grandes velocidades los perfiles son muy
similares y en velocidades pequeñas esta similarida
desaparece.
Figura 10. Perfiles de velocidad a cada 50 cm para una carga de
hvertedor=16 cm
Conclusiones
El trabajo presentado aquí describe la utilización de un
método no intrusivo conocido como la Técnica del trazado de
burbujas (BIV, por sus siglas en ingles) para medir el campo
de velocidades dentro de un tanque amortiguador inducida por
el flujo de un vertedor tipo cimacio en el laboratorio. Las
mediciones que aquí se presenta ayudan para la determinación
del campo de velocidades dentro de un tanque en relación con
las diferentes descargas sobre la estructura hidráulica.
Además, la técnica de BIV se confirma como una herramienta
potente para la medición de flujos turbulentos(flujos de aireagua)que son aun muy poco conocidos.
Se refleja que la calidad de los resultados con esta técnica será
de gran apoyo a modelistas numéricos ya que podrían
proporcionar una base desde la cual los resultados de los
modelos numéricos podrán compararse contra los resultados
de esta técnica. Por lo tanto, la técnica y las medidas derivadas
permitirán la utilización de metodologías integradas para el
diseño y análisis de estas estructuras hidráulicas.
Los resultados en términos del campo de velocidad dados por
el BIV indican una clara diferencia en la magnitud de los
patrones de circulación generados por la velocidad media
calculada para las pruebas seleccionadas.
Cabe destacar que la estructura del flujo general es similar en
todos los casos, y los cambios en el tamaño de los patrones de
circulación y magnitud de la velocidad es proporcional a la
carga total.
Los resultados relacionados con la velocidad horizontal del
flujo, ilustra una velocidad muy uniforme para una elevación
dada dentro del tanque amortiguador. Para la mayor parte de
las tres posiciones de la cámara estudiados, las velocidades
son de hecho muy similares, mostrando sólo pequeñas
diferencias en la entrada del chorro sumergido en el

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tanqueamortiguador y en la región próxima a su salida. La
primera diferencia se atribuye a la aceleración del flujo que se
experimenta una vez que el chorro entra en la estructura
sumergida. Considerando que la segunda está relacionada con
la pérdida de energía del chorro sumergido, que a su vez
produce dos flujos principales, una en dirección de la salida
(en la zona media de la columna de agua) y otro en forma de
flujo inverso (cerca a la superficie).
Se encontró que la velocidad pico asociado al chorro
sumergido tiene una distribución vertical no uniforme cerca de
su entrada, pero una velocidad uniforme se desarrolla cuando
el flujo se desplaza aguas abajo del tanque. Hacia la región
junto a la salida y debido a la pérdida de energía las
condiciones hidrodinámicas del flujo subcrítico cambian. Esta
región es precisamente donde la generación de la inversión del
flujo se identifica.
Los resultados anteriores confirman que bajo condiciones
hidrodinámicas altamente aireadas y turbulentas, la técnica de
trazado de burbujas (BIV) es una herramienta muy buena
complementaria en la estimación del campo de velocidades en
el laboratorio. Esto es valioso cuando no se cuenta con un
equipo adecuado para la medición.
Referencias
AMH
11. Ho, D.K.H. and Donohoo, S.M., 2001. Investigation of
spillway behavior under increased maximum flood by
computational fluid dynamics technique. Proc. 14th
Australasian
FluidMech.
Conference,
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