SIMULACION NUMERICA DE FLUJO DE AGUA EN PILAS DE PUENTESIng. Ivn
Ramrez Mendoza, Ing. Saily Torres Rosado, Ing. Lissy Lizarazo
Rojas, MS.c. Meimer Pearanda Carrillo, Ph.D. Carlos Acevedo
Pealoza, Grupo de Investigacin en Diseo Mecnico Materiales y
Procesos, Universidad Francisco de Paula Santander, Av. Gran
Colombia No 12E-96 B/ Colsag. Ccuta, Colombia.ResumenEl proyecto
muestra el modelo tridimensional de aguas en pilas de puentes por
simulacin numrica, donde se estudia a travs de las secciones de las
Pilas en diferentes tipos geomtricos (rectangular, circular, punta
de diamante )bajos las condiciones de la fuente logrando resultados
grficos y numricos de distribuciones de velocidad empleando ANSYS
10.0 y as efectuando el anlisis de la actuacin hidrulica del cauce
en el entorno de las pilas y estimando la magnitud de la socavacin
local en cada tipo de pila estudiada, extendiendo el trabajo al
proponer una seccin con forma hidrodinmica que perturben menor
grado los parmetros hidrulicos del flujo en el caucePalabras
clavesPuentes, simulacin numrica, pilas IntroduccinCuando se
construye una pila de un puente, se produce perturbaciones en el
funcionamiento hidrulico del cauce del ro en el entorno donde se
encuentra la pila. Esto debido a que, el elemento estructural se
localiza inmerso en el flujo, generando un gran obstculo al cuerpo
de agua y provocando que el flujo aguas arriba del puente este
desacoplado del flujo aguas abajo.El trabajo muestra la simulacin
numrica tridimensional que representa el comportamiento del flujo
en cada pila, se hace un anlisis hidrulico del flujo alrededor de
las diferentes geometras de pilas (rectangular, circular y punta de
diamante), igualmente se compara el impacto que crean las secciones
de pilas en el cauce, adems se proporciona un perfil hidrodinmico
que perturba en menor grado el flujo a travs de la pila.Palabras
clavesPuentes, simulacin numrica, pilas 1. Marco terico Pilas Son
apoyos intermedios que soportan las estructuras de los puentes, en
trminos generales no tienen empuje de tierra pero cuando son de
gran altura influye mucho el viento y el agua.Pueden ser de varios
tipos segn la seccin transversal, en las Fotografa (1, 2 y 3), se
puede observar las formas geomtricas que se simularon en el
proyecto. Fotografa 1. pila punta de diamante. Tomado de los
autores.Fotografa 2. pila rectangular. Tomado de los
autores.Socavacin local en pilasCuando se coloca una pila de puente
en la corriente de un ro se produce un cambio en las condiciones
hidrulicas de sta, y por lo tanto, en su capacidad para producir
arrastre slido. Si la capacidad de arrastre supera localmente el
aporte del gasto slido del ro, ocurrir en la pila una socavacin
local.Fotografa 3. pila circular. Tomado de los autores.El fenmeno
de socavacin o erosin local en pilas, es uno de los problemas con
los cuales hay que tomar contacto durante el diseo de obras de
lechos de ros. La profundidad de la erosin localizada est
estrechamente vinculada a las particularidades hidrulicas del
flujo, es decir a la distribucin de los caudales especficos. Adems
de los procesos naturales de modificacin permanente de los lechos
de ros (transporte y arrastre de sedimentos).La erosin causada por
el flujo alrededor de obstculos, como pilas de puente, se llama
erosin local. Fsicamente el fenmeno consiste, en que alrededor de
la pila se dan velocidades localmente mayores que las promedio de
la corriente, acompaadas generalmente de un sistema de vrtices
frontales, laterales y de estela detrs de la pila. Aguas arriba de
la pila, en la base y los alrededores se presentan vrtices de eje
horizontal y frontal (horseshoe vortex), Aguas abajo de la pila se
presentan vrtices de eje vertical; estela (wake vortex) vistos
usualmente como remolinos aguas debajo de la pila. Por las
caractersticas de las lneas de corriente, los vrtices de eje
horizontal son los responsables de la mayor parte de la socavacin
producida. La geometra de una pila influye significativamente en la
profundidad de socavacin puesto que esta refleja la intensidad de
los vrtices de eje horizontal en la base de la pila. (Vase la
figura 1) representacin grfica del proceso. Figura 1. Intensidad y
localizacin de los vrtices. Tomado de U.S Department of
transportation, 2002. Este sistema de vrtices es el principal
responsable de la socavacin. Los granos (partculas de tierra) del
lecho son aspirados por los vrtices y el fondo parece hervir por el
movimiento de los granos. El foso que se forma rodea a la pila, con
la mayor profundidad y extensin situada en la cara frontal. Como en
otros fenmenos de erosin, hay una dependencia mutua entre flujo y
el foso de socavacin, de manera que a largo plazo, si las
condiciones hidrulicas son permanentes, se alcanza un equilibrio en
la forma y tamao de los fosos.Para el clculo de la socavacin local
en la pila rectangular, punta de diamante, circular y P2 (pila
propuesta en las conclusiones), se utilizar la ecuacin propuesta
por Chandra Nalluri, Francisco Plata, Juan G. Saldarriaga, la cual
presenta la mejor disposicin de datos mezclados para el clculo de
socavacin local (Mezcla de datos de campo y laboratorio).25 . 1126
. 0538 . 01176 . 0 ,_
,_
DbFrbyDdsdonde sd es la Profundidad de socavacin medida desde el
nivel medio del lecho. D el Dimetro medio de los sedimentos del
lecho. y la Profundidad del flujo, b la Base o dimetro de la pila y
Fr el Nmero de Froude del flujo.2. Condiciones inicialesPara
trabajar con dimensiones reales de pilas, en la simulacin, se tom
las dimensiones de la pila rectangular en el puente Francisco de
Paula Andrade de la ciudad de Ccuta, Colombia, las dimensiones en
planta son: Base = 0.80m., Altura = 3.0m.Las dimensiones extradas
se tomaron como base, para la generacin de cada una de las reas, la
base para la pila (Rectangular, circular y punta de diamante) en la
simulacin. Se debe aclarar que para llevar a cabo la simulacin y
comparacin del comportamiento del flujo en el entorno de las pilas;
las pilas poseen dimensiones equivalentes, se entiende por
dimensiones: Base, altura vistas en planta, el tirante (profundidad
del flujo) de agua siempre ser constante. A modo de ejemplo la base
de la pila rectangular tiene igual valor que el dimetro de la pila
circular y punta de diamante. Figura 2. dimensiones equivalentes.
Tomado de los autores.Para el proyecto se utiliz 45 datos de campo
medidos principalmente en puentes ubicados en la India recopilados
por Kafi y Alam. Se extrajeron estos datos de india porque el
modelo pretende simular el flujo de agua en diferentes pilas en
condiciones reales, sin puntualizar ningn caso de puente
construido, los parmetros fueron los siguientes; velocidad mxima,
dimetro medio de los sedimentos del lecho y profundidad media del
flujo, (ver tabla 1).Tabla 1. Datos promedio. Tomado de Kafi, M.
and Alam. Modification of Local Scour Equations. Journal of the
Institution of Engineers, Vol 76, No 5, pp 25-28. India:
1995ESTADISTICA V D Y1]1
segm[mm] [cm]Valor Mnimo 1.19 0.1 206Valor Mximo 9 7.03
1836Promedio 2.08 0.59 674.86Desviacin Estndar 1.40 1.08 386.32La
pendiente longitudinal del terreno empleada en el modelo, fu
consultada del informe tcnico presentado por la facultad de
ingeniera de la Universidad Francisco de Paula Santander, Ccuta
Colombia, sobre la creciente histrica del ro pamplinita, el 11 de
noviembre de 1984, Estos datos se escogieron para trabajar el
modelo con datos reales, algunos de los valores presentados en el
informe son: Pendiente longitudinal del ro: 0.7%., Nivel del agua
alcanzado en la avenida: 3.5m., Velocidad de la corriente media:
3.69m/s la distribucin de velocidad desarrollada para el cauce,
presento rango de valores pico que fluctan entre 59m/s, para la
simulacin se utiliz el valor mximo de 9m/s.3. simulacin numricaLas
grficas muestran la distribucin de velocidad para los diferentes
perfiles de pilas de puentes estudiados. La simulacin se realiz con
el software Ansys.Figura 3. Distribucin de velocidad en el lecho
para pila rectangular.Figura 4. Distribucin de velocidad en el
lecho para pila circular.Figura 5. Distribucin de velocidad en el
lecho para pila punta de diamante.En las figuras se observa la
variacin de las componentes de la velocidad, dentro del volumen
aislado de fluido para cierto instante de tiempo. Figura 6.
Gradiente de velocidad agua arriba normal al flujo.Segn los datos
obtenidos y graficando para cada pila de puente los gradientes de
velocidad aguas arriba (grfica 6), la velocidad del flujo en el
contorno de la pila rectangular y circular, aguas arriba, se redujo
en 96% y 86% respectivamente con respecto a la corriente media del
flujo, debido a la presencia de estancamiento del flujo, generando
esto velocidades bajas con su consiguiente presiones dinmicas
altas.Se puede observar la mxima aceleracin del flujo en la pila
rectangular; con un valor de 12.4 m/s, consecuencia de la separacin
en la trayectoria del flujo incapaz de seguir la forma geomtrica de
la pila. Aguas arriba la pila en punta de diamante, es la seccin
que altera en menor magnitud el flujo del agua manteniendo un rango
de velocidades de [6 9 m/s]. Obtenidos los datos de aguas abajo de
la pila y calculando los gradientes de velocidad se observa en la
grfica 7. el componente de flujo done se crea una zona de aguas
muertas (velocidades cero) aguas abajo de las pilas
simuladas.Figura 7 . Gradiente de velocidad aguas abajo normal al
flujo.(Vase la Figuras 3, 4, 5). Las pilas con llevan a que se
presenten, cambios en el rgimen de flujo, actuando como una seccin
de control (rgimen rpido a lento). Se concluye que las mayores
velocidades del flujo del agua se presentan en las zonas ms prximas
de lados laterales de las pilas (franja de color rojo), dichas
velocidades son localmente mayores que la velocidad de la corriente
media, siendo el mximo en la pila rectangular, a una distancia de
2m, el mnimo en la geometra circular a la distancia de 2.40m (Vase
la Figura 3 y 4). La pila en punta de diamante presenta la mayor
velocidad a la distancia de 3m, favorable porque se reduce la
verticidad lateral, logrando adems desplazar los vrtices en
longitud aguas abajo de la pila figura 5, en las zonas alejadas el
flujo no es alterado. La pila circular porticada disminuye la
capacidad de transporte del equilibrio (volumen aislado de fluido)
al obstaculizar el fluido en la primera pila, creando vrtices
laterales y estelas en medio del sistema porticado, que socavan el
lecho de ri, al existir mayor rea normal al flujo (Figura 4).Cuando
un fluido se mueve sobre un cuerpo slido, ejerce fuerzas de presin
y fuerzas de corte paralela a lo largo de la superficie exterior
del cuerpo, existe inters en la resultante de presin
exclusivamente, porque en este proyecto se desprecia los efectos
viscosos del agua por consiguiente se asume que las fuerzas de
corte son cero. La resultante que acta en la direccin de flujo
sobre el rea frontal de la pila se llama fuerzas de arrastre de
presin o forma.El coeficiente de arrastre depende de la forma del
cuerpo y orientacin del cuerpo respecto al flujo, en la tabla 2 la
figura de barra rectangular con esquinas agudas es equivalente en
forma y orientacin a la pila rectangular, por eso se eligi el
coeficiente de arrastre de 1.3[-] para una relacin L/D de 3.75. En
la tabla 1, se observa la forma circular con coeficiente de
arrastre de 0.3[-] para flujo turbulento y la forma triangular con
coeficiente de 0.48 [-].Debido a que, las pilas simuladas poseen la
misma base en planta el rea proyectada o normal al flujo ser igual,
la velocidad de aproximacin de corriente libre es de 9 [m/s], la
densidad del agua para temperatura estndar de 20C, es de 998.2
[Kg-m/m3], teniendo todas las variables definidas, (Vase en la
tabla 2) el valor de arrastre de forma para cada seccin de
pila.Tabla 2 . Clculo de arrastre de forma . tomado de Yunus A.
Cengel, John CimbalaRectangular 0,8 6 998,2 9 1,6 4,8
310,48Circular 0,8 6 998,2 9 0,3 4,8 58,22Puntade Diamante 0,8 6
998,2 9 0,48 4,8 93,14Area [m^2]FD [KN]PILABase [m]Tirante
[m]Densidad [Kg/m^3]Velocidad [m/ seg]CD [-] Con los resultados
obtenidos en la tabla 2; la pila con menor empuje dinmico es la
circular y la pila con ngulos recto presenta el mayor empuje
dinmico de agua. 4. Geometra propuestaLos estudios de diseos de
pilas que afecten en menor magnitud las condiciones hidrulicas del
cauce son recientes, las metodologa consisten en implementar
elementos no estructurales a la pila para la disipacin de energa a
travs de la disminucin de los vrtices y las corrientes secundarias.
Las pilas simuladas en el proyecto, presentan un importante
obstculo al flujo que se reflejo en el campo de velocidades. La
geometra propuesta busca tener en cuenta las condiciones que se
presentan a continuacin. 1. La forma de la pila deber ser
currentilneo o hidrodinmica. Para alinear su forma con las lneas de
corriente anticipadas al flujo. 2. El ngulo de incidencia con
respecto a la corriente del cauce debe ser cero. 3. La geometra
hidrodinmica de la pila debe iniciar a una profundidad de desplante
de 1m hasta el nivel mximo del agua esperado en la avenida del ro.
4. Reduccin de vorticidad y corrientes secundarias. 5. Traslado del
punto de separacin hacia aguas debajo de la pila, la mayor
distancia posible. Por consiguiente disminucin de la regin
separada. 6. Velocidad aguas arriba de la pila no debe ser menor
que el 65% del valor superficial de la corriente libre. 7. Reduccin
de socavacin local terica en 30%.Se estudi cuatro geometras La
forma de estas geometras, fu escogida de acuerdo al perfil ideal
supersnico de Bi-convex Airfoil y se semeja a la estudiada por
Roca, que planteo la geometra con la forma del cuenco de socavacin
en sus estudios. Las cuatro formas simuladas cumplieron con las
condiciones provenientes de los resultados de anlisis. La grfica 8.
muestra la comparacin aguas arriba deP1 P2 P3 P40123456789101 2 3
456789101112131415161718192021VELOCIDAD AGUAS ARRIBA [m/seg]P1 P2
P3 P4Figura 8 . Variaciones de Velocidad aguas arriba de las pilas.
Tomado de los autores.las pilas. la geometra que menos variaciones
presenta en la componente de velocidad respecto de la corriente
libre, es la geometra propuesta P2 (rojo en la grfica), esto es
debido a que, las fluctuaciones de velocidades aguas arriba de la
pila, se encuentra en una rango de 9 7.6 m/s, cumpliendo con la
condicin que indica que, la velocidad aguas arriba de la pila, no
debe ser menor que el 65% del valor superficial de velocidad en la
corriente libre.De los resultado anteriores, se concluye que la
geometra, que en menor grado afecta la dinmica del flujo es el P2,
a continuacin se da las medidas del espesor y longitud del perfil.
El perfil tiene su mximo espesor en el centroide de la pila [ ] x,
que a su vez, es la distancia de 0.25 veces la base de cada lado
paralelo al flujo. El punto inicial y final del perfil se ubican en
la mitad de la pila [ ] y, se encuentra a una distancia efectiva de
0.6 veces la altura de cada lado normal al flujo, la figura 9
muestra el perfil para cualquier forma geomtrica de pila. H B H/2
B/2 , 0 25B , 0 25B0,60HFigura 9 . Esquema general P2 . Tomado de
los autores.La figura 9 muestra el perfil currentilneo y la
finalidad de esta, es retrasar el punto de separacin y por lo tanto
disminuir el arrastre de presin, consecuentemente la regin separada
y el desprendimiento de partes de fluido circundante (Vrtices de
estela) se minimizan reduciendo la turbulencia en el contorno de la
pila. La figura 10 muestra el campo de velocidades para el perfil
P2.Figura 10 . Campo de velocidad y lneas de corriente en P2.
Tomado de los autores.La presencia de la forma hidrodinmica
debilita la accin de los vrtices de herradura, consecuente al flujo
que es capaz de seguir la trayectoria del cuerpo disminuyendo la
divergencia de las lneas de corrientes. Las corrientes secundarias
generadas en el flujo separado (regin azul), solo pueden actuar
sobre el lecho mediante vrtices laterales ya bien distanciados de
la cara posterior de la pila rectangular original.5. ConclusionesLa
geometra de pila con aristas que forman ngulos rectos
(rectangular), obstaculiza en mayor grado el flujo de agua, por lo
tanto se generan corrientes descendentes y presiones dinmicas altas
en el lecho del ro aguas arriba de la pila.El uso de la simulacin
numrica en la etapa de diseo permite formular diferentes hiptesis
de solucin y facilita la toma de decisiones.Se confront los
resultados provenientes de la simulacin en cada geometra
(rectangular, circular y punta de diamante), concluyendo que la
pila en punta de diamante es la seccin que altero en menor magnitud
el flujo del agua aguas arriba manteniendo un rango de velocidades
entre [6 9 m/s], la pila circular registro la velocidad local menor
en el entorno de la pila.La presencia de la forma hidrodinmica
debilita la accin de los vrtices de herradura, consecuente al flujo
que es capaz de seguir la trayectoria del cuerpo disminuyendo la
divergencia de las lneas de corrientes. Las corrientes secundarias
generadas en el flujo separado, solo pueden actuar sobre el lecho
mediante vrtices laterales ya bien distanciados de la cara
posterior de la pila.El porcentaje de reduccin en la profundidad de
socavacin local utilizando la seccin hidrodinmica P2 fue de 30[%]
en comparacin con los desarrollados por las pilas comunes
igualmente simuladas. 6. BibliografaCASTELLET, Ernest Blad.
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