Estudio numérico mediante Large Eddy Simulation de la turbulencia en canales con lecho de grava

Abstract

En este trabajo se utilizan simulaciones numéricas del tipo large eddy simulation (LES) para estudiar las características de la turbulencia en un canal con lecho de grava, en el que el diámetro del sedimento se encuentra en torno al 40 % de la altura de escurrimiento. Para ello se utiliza el software libre y de código abierto OpenFOAM, y la infraestructura de supercómputo del Laboratorio Nacional de Computación de Alto Rendimiento (NLHPC). De forma similar a trabajos anteriores, la rugosidad del lecho se representa mediante semiesferas gruesas en el fondo del canal y se utilizan condiciones de borde periódicas para reducir efectos de borde longitudinales y transversales. A diferencia de esos estudios, este trabajo incluye la fuerza gravitacional en las ecuaciones. Esto permite resolver el perfil vertical de presiones e incorporar directamente la pendiente del canal como parámetro de simulación. De los resultados obtenidos se analizan los perfiles de presión, velocidad e intensidad turbulenta en el marco de las ecuaciones de flujo doblemente promediadas. A partir de esos perfiles se determinan otras variables como la energía cinética turbulenta y viscosidad turbulenta. Por otro lado, se realiza un análisis espectral para verificar una adecuada representación del rango inercial en las simulaciones. Esto permite estimar el perfil de la tasa de disipación de energía cinética turbulenta. Finalmente, se utiliza el criterio Q para identificar estructuras turbulentas en el flujo, permitiendo la identificación de un potencial vórtice de herradura. Los distintos resultados obtenidos se comparan con datos experimentales y teóricos de otros autores, permitiendo validar satisfactoriamente la representación de la turbulencia en este trabajo, así como poner de manifiesto las limitaciones existentes. Se concluye que la técnica de large eddy simulation tiene un gran potencial para estudiar la turbulencia en canales con lecho de grava. Esto se ha verificado mediante la aplicación de distintas técnicas a los resultados obtenidos, como el análisis de perfiles doblemente promediados, el análisis espectral de series de tiempo y la visualización de estructuras turbulentas mediante el criterio Q. Se propone un mayor número de comparaciones con datos experimentales para mejorar y validar los resultados de las simulaciones en la región más cercana al lecho y fondo del canal.