Modelación numérica 3D con ANSYS -FLUENT del vertedero laberinto de la central hidroeléctrica “La Naveta”, en Apulo – Cundinamarca, a partir de un modelo físico a escala

Abstract

Con el propósito de evaluar el comportamiento hidráulico del vertedero tipo laberinto de la central hidroeléctrica la Naveta, en Apulo - Cundinamarca, se ha construido un modelo a escala 1:21, de la estructura original, el cual fue probado en el laboratorio del Centro de Estudios hidráulicos de la Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito.

El modelo a escala de la estructura, inicialmente fue construido para determinar la variabilidad del coeficiente de descarga con respecto al caudal transitado y su influencia en el nivel de agua, debido a que el vertedero original (vertedero tipo laberinto simétrico de sección rectangular), no tenía la capacidad de trabajar con el caudal de diseño de 31 m³/s, ya que ante valores superiores de 15 m³/s, se presentaban desbordamientos en el canal de aducción. Esta variación de la eficiencia se debió, al engrosamiento de los muros laterales por necesidades estructurales.

Durante la modelación física realizada por Rodríguez, H. y Matamoros H. (2015) en el canal de pruebas, se encontró que al aumentar el ancho de los muros laterales, el coeficiente de descarga se reduce en promedio un 34%, generando un aumento del nivel de agua en 0.26 m por encima de la estructura, para el caudal de operación. Fue por esta razón que los directores de la central, junto con un grupo de ingenieros, desarrollaron el vertedero laberinto asimétrico que actualmente se encuentra en operación y que se estudia en la presente investigación.

La presente tesis busca desarrollar una metodología de empalme entre los modelos físicos de los vertederos tipo laberinto y las modelaciones numéricas, utilizando conceptos de la mecánica de fluidos computacional, y teorías de volúmenes finitos. Para esto se realizó un análisis detallado de las variaciones en las diferentes direcciones de las principales variables hidráulicas involucradas en el comportamiento, tales como las componentes de la velocidad y la distribución de presiones. Además, se estudió el coeficiente de descarga, comparando los resultados experimentales propios, con los reportados en la literatura.

Para el desarrollo numérico, se trabajó con el software de modelación computacional ANSYS – FLUENT versión 17.0. Inicialmente se desarrolló un modelo digital de un vertedero triangular de pared delgada convencional, con un ángulo en su vertical de 102º, con el propósito de encontrar el esquema numérico más adecuado y las condiciones más apropiadas. Se compararon los resultados numéricos con las teorías convencionales, evaluando la trayectoria del chorro y el coeficiente de descarga. Posteriormente se simuló uno de los cinco ciclos que componen el vertedero laberinto de la central hidroeléctrica de la Naveta en Apulo - Cundinamarca, evaluando el comportamiento del coeficiente de descarga, la lámina de agua, las líneas de corriente y el campo de velocidades, con el propósito de comprender las variables hidráulicas que entran en juego para este tipo de geometrías.

Con base en los resultados anteriores, se realizó la modelación numérica del vertedero laberinto completo, comparando los resultados obtenidos, con los datos tomados en el modelo físico a escala, analizando la variación del coeficiente de descarga, la lámina de agua, las líneas de corriente, el campo de velocidades, la distribución de presiones y el esfuerzo cortante.

Finalmente, a partir de las lecciones aprendidas de las modelaciones físicas y las numéricas, se realizó una guía metodológica, para que cualquier usuario con conocimientos de mecánica de fluidos computacional e hidráulica a superficie libre, desarrolle buenas prácticas de modelación computacional y físicas, de vertederos hidráulicos

In order to evaluate the hydraulic behavior of the labyrinth spillway of the hydroelectric plant Naveta in Apulo - Cundinamarca, it has built a 1:21 scale model of the original structure, which was tested in the laboratory Center hydraulic studies of the Colombian School of Engineering Julio Garavito.

The scale model of the structure was initially built to determine the variability of the discharge coefficient with respect to the busy flow and its influence on the water level, because the original landfill (symmetrical maze of rectangular section type landfill), not he had the ability to work with the design flow of 31 m³ / s, since at higher values ​​of 15 m³ / s, overflows were presented in the headrace channel. This variation in efficiency was due to thickening of the side walls for structural needs.

During physical modeling by Rodriguez, H. and H. Matamoros (2015) in the channel test, it was found that increasing the width of the side walls, the discharge coefficient is reduced on average by 34%, generating an increase water level at 0.26 m above the structure to flow operation. It was for this reason that the directors of the center, along with a group of engineers developed the landfill asymmetric labyrinth which is currently in operation and is being studied in this investigation.

This thesis seeks to develop a methodology connection between physical models of the type labyrinth weirs and numerical modeling, using concepts of computational fluid dynamics, finite volume and theories. To this detailed variations in the different directions of the main hydraulic variables involved in behavior, such as the components of velocity and pressure distribution analysis was performed. In addition, the discharge coefficient was studied by comparing the own experimental results with those reported in the literature.

For the numerical development, it worked with computer modeling software ANSYS - FLUENT version 17.0. Initially a digital model of a triangular weir conventional thin wall with a vertical angle of 102 degrees, in order to find the most appropriate numerical scheme and the most appropriate conditions developed. the numerical results with conventional theories were compared evaluating the path of the jet and the discharge coefficient. Subsequently he simulated one of the five cycles that make up the labyrinth spillway of the hydroelectric power station of the Naveta in Apulo - Cundinamarca, evaluating the behavior of the discharge coefficient, the sheet of water, the streamlines and the velocity field, with order to understand the hydraulic variables that come into play for these geometries.

Based on the above results, the numerical modeling of spillway complete maze was made by comparing the results with data taken in the physical scale model, analyzing the variation discharge coefficient, the sheet of water, power lines , the velocity field, the pressure distribution and shear stress.

Finally, from the lessons learned from the physical and numerical modeling, a methodological guide was performed, so that any user with knowledge of mechanics computational and hydraulic fluids free surface, develop good practices of computational and physical modeling, landfill hydraulic.