Estructuras escalonadas. Modelación física y formulación matemática

Abstract

Open channel flow is governed by gravity forces and its effect on the flow behavior depends on the slope of the channel. Frequently the topography means it is necessary to take the flow from a high level to a low level in a relatively short distance, i.e., in a segment with a steeper slope, which produces high velocities. As a result, it is necessary to dissipate the excessive kinetic energy, either locally or gradually. Stepped structures, the topic of study of this research, allow energy to dissipate in open channel flows gradually. After compiling and studying different research about stepped structures, it is necessary to continue to studying the flow behavior on these types of structures. Following the recommendations of various authors, future research should be focused on developing a design methodology that so far hasn’t been achieved. The methodology of this research consists of building three physical models of stepped structures, studying and characterizing the flow through the structure and developing a design methodology. This study presents two equations to identify the type of flow in the structure, when the geometry of the structure and the flow rate are known. It is proposed a design methodology for skimming flow.

El flujo a superficie libre está gobernado por las fuerzas de gravedad y su efecto en el comportamiento del flujo depende de la pendiente longitudinal del canal. Con frecuencia la topografía hace que sea necesario llevar el flujo de un nivel alto a uno bajo en una distancia relativamente corta, es decir, en un tramo con una pendiente muy alta, lo que producirá velocidades excesivas. Por lo anterior, se hace necesario disipar el exceso de energía cinética, lo que puede hacerse de manera puntual o gradual. Las estructuras escalonadas, tema de estudio del presente trabajo, permiten disipar energía en flujos a superficie libre de manera gradual. Luego de recopilar y estudiar diferentes investigaciones sobre el tema de estructuras escalonadas, se ve la necesidad de continuar con el estudio del comportamiento del flujo en estas estructuras y, siguiendo las recomendaciones de varios autores, especialmente tratar de desarrollar una metodología para su dimensionamiento, que hasta ahora no se ha logrado. La metodología para el desarrollo del presente trabajo de investigación consiste en la construcción de tres modelos físicos de estructuras escalonadas, el estudio y caracterización del flujo en la estructura y el desarrollo de una metodología para su dimensionamiento. Como resultado del trabajo propuesto se presentan dos ecuaciones para caracterizar el tipo de flujo en una estructura escalonada, conocida su geometría y el caudal; también se propone una metodología para el dimensionamiento de estructuras escalonadas con flujo rasante.