Modelos numéricos de flujo en lámina libre

1. H19.- Modelos numéricos de flujo en lámina libre
Hec-Ras

2. Proceso de modelización numérica
1. Elección de un modelo numérico
1. 1D, 2D, 3D, .... (velocidad, precisión, datos necesarios)
2. Estacionario o transitorio
3. Presupuesto, plazos, experiencia, acceso al modelo
2. Elección del tramo a modelar
3. Discretización del dominio espacial (secciones, malla)
4. Calibración
5. Verificación
6. Cálculo
7. Postproceso. Interpretación
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

3. 5000 6000 7000 8000 9000 10000
-2
0
2
4
6
8
Main Channel Distance (m)
Elevation
(m)
Legend
EG PF1
WS PF1
Crit PF1
Ground
19667.4
19628.2*
19550.0
19509.4*
19428.2
19364.6
19254.1*
19160.8
19062.6
18972.3
18898.5*
18805.7
18710.7
18617.8
18508.7*
18431.1*
18324.4
18229.2*
18127.9
18001.2
17870.6
17764.1*
17671.8*
17591.5*
17496.8
17398.1
HIipótesis
 Geometría fija (a partir de v4 incluye transporte de sedimentos)
 1D: velocidad uniforme en la sección, lámina horizontal
 Presión hidrostática (Pendiente suave)
El modelo HEC-RAS
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

4. 2
1
y2
y1
z1
z2
 Pérdidas por contracción – expansión
Ecuación de conservación de la energía (Bernouilli 1D)
3
.
0
1
.
0
λ
5
.
0
3
.
0
λ
2g
U
α
U
α
λ
ΔH
2g
U
α
U
α
λ
ΔH
c
e
2
1
1
2
2
2
c
c
2
1
1
2
2
2
e
e








2 2
2 1
2 2 2 1 1 1 f
2 2
2 1
Q Q
z y α z y α S L ΔH
2 g A 2 g A
      


A
3
3
dA
v
A
U
1
α
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

5.  Pérdidas por fricción (Manning)
Ecuación de conservación de la energía (Bernouilli 1D)
4/3
h
2
2
f
R
U
n
S 


A
3
3
dA
v
A
U
1
α
f,1 f,2
f f f,1 f,2
2
f,1 f,2 1 2
f f
f,1 f,2 1 2
S S
S S S S
2
S S Q Q
S 2 S
S S K K

  
  

   
 
 
2/3
h
f
R
A
n
1
K
S
K
Q


2
1
y2
y1
z1
z2
2 2
2 1
2 2 2 1 1 1 f
2 2
2 1
Q Q
z y α z y α S L ΔH
2 g A 2 g A
      
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

6. 2
1
2 2
2 1
2 2 2 1 1 1
2 2
2 1
2 2
f
Q Q
z y z y S L H
gA gA
 
       
E2
E’2
Método paso a paso (régimen permanente)
 Dado un caudal constante calcular el calado en cada sección del río
Resolución mediante proceso iterativo:
 Desde aguas abajo hacia aguas arriba en régimen lento
 Desde aguas arriba hacia aguas abajo en régimen rápido
 Proceso iterativo
• Suponer cota de agua en 2
• Calcular energía en 2 como E2 y como E’2
• Comparar. Si la diferencia es grande, iterar.
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

7. Sección compuesta
 
i
2/3
3/2
i
i
U
U
P
n
P
n 








 
 
2/3
h
i
2/3
i h,i
i
A R
n K K
A R
n

 



Lotter
Cauce+Llanuras
Horton Einstein
Variaciones dentro de cauce principal o llanuras
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

8. Cálculo en régimen mixto
 Calculo como lento y después como rápido
 Si sólo existe una solución, es la buena.
 Si existen dos, la buena es la de mayor fuerza específica (cantidad de movimiento)
2
Q β
F = + A Y
g A
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

9. Cálculo en régimen mixto
 Calculo como lento y después como rápido
 Si sólo existe una solución, es la buena.
 Si existen dos, la buena es la de mayor fuerza específica (cantidad de movimiento)
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

10. Los resultados dependen de:
 Geometría
• Secciones transversales
• Distancia entre secciones
 Condiciones de contorno
 Coeficiente de rugosidad (Manning)
Elegir secciones con cambios significativos en sección o en el fondo
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

11. Efecto de la distancia entre secciones
Definir secciones representativas  Interpolar secciones
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

12. Efecto de las condiciones de contorno
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

13. Efecto de la rugosidad
0 1000 2000 3000 4000 5000
10
15
20
25
30
AmbAutovia Plan: 1) n0.030 1/30/2005 2) n0.035 1/30/2005
Main Channel Distance (m)
Elevation
(m)
Legend
WS PF 1 - n0.030
WS PF 1 - n0.035
Ground
Riu Riu
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

14. Régimen variable
 Aplicaciones:
 Rotura de presa
 Almacenamiento (balsas o depósitos de retención)
 Riesgo asociado a tiempo de inundación
 Inconvenientes:
• Mayor complejidad
• Mayor coste computacional
• Más datos (hidrogramas)
• Menor precisión en determinadas situaciones (régimen rápido, resaltos)
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

15. Ecuaciones de aguas someras 1D
A Q
q
t x
 
 
 
2
0 f
Q Q y Q
gA q gA S S
t x A x A
 
  
 
    
   
  
 
Hipótesis realizadas:
 Presión hidrostática
 Flujo uniforme en sección
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

16. Ecuaciones de aguas someras 1D
Influencia del esquema numérico
0 200 400 600 800 1000
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Main Channel Distance (m)
Elevation
(m)
Legend
WS Max WS - variable
WS PF 1 - permanente
Crit PF 1 - permanente
Crit Max WS - variable
Ground
Régimen no permanente
Preissmann + LPI
Régimen permanente
“paso a paso”
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

17. Modelos cuasi-2D
k ki k i
i
ΔV = Q (z ,z )

Río  Ecuaciones de St.Venant
Llanuras  Continuidad
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

18. 1. Preproceso (entrada de datos)
1.1. Geometría (secciones, puentes, manning, …)
1.2. Condiciones de contorno (flujo)
2. Cálculo (esquema numérico)
3. Postproceso (salida de resultados)
Proyecto
Geometrías C.C. estacionarias C.C. no estacionarias
Planes
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

19. Un Proyecto es un sistema de archivos de datos asociados con un sistema particular
del río. Los archivos de datos de un proyecto son clasificados como:
 Datos de plan.
 Datos geométricos.
 Datos de flujo estacionario.
 Datos de flujo no-estacionario.
 Datos de diseño hidráulico.
Cada plan representa un sistema específico de datos geométricos y de flujo.
Después de realizar la simulación de varios planes, los resultados pueden
compararse simultáneamente en forma tabular o gráfica.
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

20. Geometría C.C. estacionario
Cálculo
estacionario
Salida de resultados
Cálculo no
estacionario
C.C. no estacionario
Secciones
Perfiles longitudinales
Q vs. H
3D
Hidrogramas
Tablas
- Opciones por defecto
- Sistema de unidades
Pantalla principal
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

21. Los datos geométricos necesarios consisten en un Sistema Esquemático
del Río, geometría de las secciones transversales (Cross Section) y datos de
estructuras hidráulicas como puentes(Bridges), alcantarillas (Culverts), vertederes
(Weirs), etc. Los datos geométricos se introducen seleccionando Geometric Data del
menú Edit de la ventana principal de HEC-RAS. Una vez que se selecciona esta
opción aparecerá una ventana de datos geométricos como la mostrada en la siguiente
diapositiva
Primero se introduce un dibujo esquemático del sistema del río. Esto se realiza
presionando el botón River Reach (tramo de río) y después dibujando los
tramos del río desde aguas-arriba hacia aguas-abajo (en la dirección del flujo)
Datos geométricos
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

22. Uniones
Secciones
Puentes
Drenes
Vertederos
Aliviaderos
Dibujo
esquemático
Definición esquemática del río
Zonas
inundables
Datos geométricos
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

23. Edit
 Cambiar nombre tramo / rio
 Mover objetos
 Añadir / Eliminar puntos de un tramo
 Editar objetos
 Eliminar tramos
 Modificar trazado de los tramos
(cambiar la dirección de la corriente)
Datos geométricos
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

24. Tools
 Interpolar secciones
Más puntos de cálculo, más precisión
 Canalización (encauzamientos)
Introducir un encauzamiento en la XS
 Edición gráfica de XS
 Invertir los puntos de una XS
Por si se introdujo la XS vista hacia aguas arriba
 Filtrar puntos en una XS
 Fijar espesor de sedimentos fijo
 Ajustar cotas del fondo de todo un tramo
 Modificar las coordenadas del esquema
Datos geométricos
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

25. Después de introducir el dibujo esquemático del río se introducen las secciones
transversales y datos de estructuras hidráulicas.
Presionando el botón Cross Section (Sección Transversal) se activa el editor de
secciones transversales. Este editor se muestra en la siguiente diapositiva. Cada sección
transversal tiene un River name (nombre de río), Reach name (nombre del tramo), River
Station (Estación del Río) y Description (Descripción). Los identificadores de River,
Reach y River Station se utilizan para describir donde está ubicada la sección
transversal en el río. El identificador de River Station no tiene por que ser la estación real
del río (kilómetros) en la cual la sección transversal está situada, pero tiene
que ser un valor numérico (ej., 1.1, 2, 3.5, etc.). EL valor numérico se usa para
ubicar la sección transversal en orden ascendente dentro del tramo. Las secciones
transversales se ordenan de menor (aguas-abajo) a mayor (aguas-arriba) dentro de
cada tramo del río.
Datos geométricos. Sección transversal
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

26. VISTA HACIA AGUAS-ABAJO
Distancia hasta la siguiente sección
aguas abajo (fijar a cero en la última
sección de CADA tramo)
Coeficiente Manning
Definición del cauce principal
y llanuras de inundación
Coeficientes
contracción -
expansión
Datos geométricos. Sección transversal
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

27. Opciones
 Añadir una nueva sección transversal (XS)
 Copiar/Renombrar/Eliminar la XS actual
 Ajustar cota/coordenadas del fondo de la XS
 Ajustar coeficientes de Manning
 Girar la XS respecto a la dirección del flujo
Proyecta la XS perpendicularmente al flujo, multiplica las
coord. x por cos α
 Areas no-efectivas al flujo
Almacenan agua con velocidad cero hasta que el calado
alcanza la cota superior  se desactivan
En modo permanente sólo permiten flujo por encima de la
cota superior (no se desactivan)
 Diques longitudinales (levees)
Limitan la anchura de la sección hasta que el agua
sobrepasa la cota superior del dique
 Obstrucciones
Zonas sin flujo ni agua almacenada
 Añadir un techo horizontal a XS (para tuneles)
 Añadir una capa de hielo
 Añadir una curva de descarga (Q vs. h)
 Variación horizontal/vertical coef. Manning
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

28. Una vez que los se introducen los datos de la sección transversal, estos deben guardarse
en un archivo. Para ello se selecciona Save Geometric Data As (Guardar datos
geométricos como) del menú File (archivo) del editor de datos geométricos. Esta opción
permite al usuario ingresar un título para los datos geométricos.
Datos geométricos. Sección transversal
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

29. Uniones
2 Ríos
4 Tramos
Características de la unión
Métodos de cálculo
1. Energía (por defecto):
Fricción, contracción + expansión
2. Momento:
Balance de fuerzas en dirección "x"
Fuerzas fricción y peso opcionales
Datos geométricos. Uniones
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

30. Definir 4 secciones
transversales
1. Aguas-arriba. Flujo paralelo
no alterado por el puente
(sección totalmente efectiva)
2. Aguas-arriba. Justo antes del
puente
3. Aguas-abajo. Justo después
del puente
4. Aguas-abajo. Flujo paralelo
no afectado por el puente
(totalmente expandido)
Datos geométricos. Puentes
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

31. Datos geométricos. Puentes
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

32. Coeficientes de contracción
Coeficientes de expansión
Datos geométricos. Puentes
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

33. Tablero
Pilas
Estribos
Modelización
Alcantarillas
Datos geométricos. Puentes
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

34.  Distancia a sección aguas-arriba
 Anchura del puente
 Coeficiente de vertido del tablero
Geometría transversal del
puente
Características del vertido
por tablero
Taludes hacia aguas-arriba y
aguas-abajo
Datos geométricos. Puentes. Tablero
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

35. Identificador de la pila
Posición del eje
Anchura de pila a
diferentes alturas
Árboles, objetos flotantes
Datos geométricos. Puentes. Pilas
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

36. Identificador del estribo
Definición geométrica
Datos geométricos. Puentes. Estribos
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

37. Identificador del puente
Método de cálculo en
aguas bajas
Método de cálculo en
aguas altas
Datos geométricos. Puentes. Cálculo
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

38. Flujo en presión +
vertedero
Datos geométricos. Puentes. Cálculo
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

39. Erosión local puentes. Estrechamiento
6/7
1
2
K
2
1
1
2
Q
Q
W
W
h
h
1

















 
3/7
2
2
2/3
50
2
2
2
W
D
1.25
C
Q
h 








Lecho vivo
Aguas claras
Datos: K1, D50
V1 > Vc Lecho vivo
V1 < Vc Aguas claras
1 – Sección de aproximación
2 – Sección del puente
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

40. 6/7
1
2
K
2
1
1
2
Q
Q
W
W
h
h
1

















 
S.I.
en
unidades
W
D
1.25
40
Q
h
3/7
2
2
2/3
50
2
2
2 








Lecho vivo.
Laursen (1960)
Agua clara.
Laursen (1963)
V* función de la pendiente (rozamiento del fondo)
w función de D50 y de la temperatura
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras
Erosión local puentes. Estrechamiento

41. Ecuaciones:
- CSU (1990)
- Froehlich (1991)
Datos:
- K1 (forma)
- K2 (ángulo)
- K3 (formas fondo)
- K4 (acorazamiento)
Sólo en CSU eq.
Erosión local puentes. Pilas
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

42. CSU (1990)
0.35 0.43 0.65
1 2 3 4 0
2.0
b
z K K K K h F b
        
 Forma
 Ángulo
 Acorazamiento
 Formas de fondo
 
0.47
0.62
0.22
0.09
50
0.32 '
b
h
z F b b
D

      
Forma Ángulo
Froehlich (1991)
Erosión local puentes. Estrechamiento
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

43. Ecuaciones:
- Froehlich (1989)
- HIRE (1990)
Datos:
- K1 (Tipo de estribo)
- K2 (ángulo)
Erosión local puentes. Estribos
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

44. Drenes
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

45. Drenes
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

46. Forma geométrica
Identificador
Características
(tabuladas)
Eje longitudinal
de cada dren
Nº drenes iguales
Z fondo dren
Altura obstruida
en el fondo
2 Mannings,
función de h
Drenes
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

47. Grupo de compuertas
Area no efectiva
Vertederos y compuertas
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

48. Tipos de compuertas y vertederos
Vertederos y compuertas
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

49. HE
BE
TE
H
B
T
W
2g
C
Q
-
1 
Zd
-
Zu
H
(3H)
B
T
W
2g
C
Q
-
2 HE
BE
TE


Zd
-
Zu
H
2gH
A
C
Q
-
3 

2gH
A
C
Q
-
1 
2g3H
A
C
Q
-
2 
3/2
H
2g
L
C
Q 
Lámina libre
Compuerta radial Compuerta vertical
1 – Compuerta libre
2 – Compuerta parcialmente anegada
3 – Compuerta anegada
1 – Compuerta libre
2 – Compuerta anegada
Zd
-
Zu
H 
Vertederos y compuertas
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

50. 1. Dibujar la zona inundable de forma esquemática
2. Definir relación nivel agua-volumen almacenado para la zona inundable
3. Definir un vertedero lateral (conexión río – zona inundable)
4. Definir nivel de agua inicial en la zona inundable
Zonas inundables
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

51. Situación del vertedero: tramo, río,
sección, derecha/izquierda
Conexión del vertedero (a dónde va el
agua que sale): zona inundable, otra
sección del río, nada
Definición geométrica del vertedero
Zonas inundables
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

52. Después de introducir los datos geométricos se introducen las condiciones de contorno e
iniciales en el caso de que el cálculo sea no estacionario. Para ello se va al menú Edit
(editar)  Steady Flow Data Editor (Editor de datos para flujo estacionario) o Unsteady
Flow Data Editor (Editor de datos para flujo no estacionario)
Los datos para flujo estacionario son: number of profiles to be computed (número de
perffiles o caudales a calcular); the flow data (datos de flujo); river system boundary
condition (condiciones de contorno). El caudal puede cambiarse en cualquier
ubicación dentro del río.
Una vez introducidos los datos de flujo y las condiciones de contorno, se guardan con
Save Flow Data As (Archivar Datos de Flujo Como) de la opción File (Archivo) del menú
de datos de flujo.
Caudales de cálculo y CC estacionarias
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

53. Secciones con
cambio de caudal
Cambios de
caudal en "x"
Nº de perfiles a calcular (caudales)
3 perfiles (caudales)
Condiciones de contorno
 Altura lámina de agua
 Calado crítico
 Calado normal
 Curva calado-caudal
Caudales de cálculo y CC estacionarias
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

54. Geometría
Condiciones contorno
Tipo de régimen
Flujo estacionario
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

55. Distribución de flujo en cada
sección
Discretización fricción
Tolerancias convergencia
Cálculo calado crítico
otras,...
Flujo estacionario. Opciones numéricas
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

56. Tipo de CC
- Curva caudal - t
- Curva calado - t
- Curva descarga
- otras
CC areas inundables
- Opcional
Condiciones de contorno. No estacionario
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

57. Caudales en régimen
estacionario inicial
Altura de agua inicial
en areas inundables
Fichero restart
Condiciones iniciales. No estacionario
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras

58. Tiempo inicial y final
Plan
Fichero geometría
Fichero CC
Paso de tiempo y
salida de resultados
Condiciones iniciales. No estacionario
Hidráulica Fluvial
El modelo Hec-Ras