Sediment transport in areas of flow obstruction due to a pile: experimental study of incipient sediment transport in front of a pile an modeling of scour in transient and oscillatory flow regime

Abstract

El transporte de sedimentos en zonas de obstrucción de flujo debido a una pila, fue estudiado experimental y numéricamente. El trabajo experimental se desarrolló en el laboratorio de Hidrodinámica de la Universidad de Sheffield, aplicando la técnica de Particle Image Velocimetry (PIV) para registrar los campos bidimensionales de velocidad frente de una pila circular, para un total de 15 ensayos, los que permitieron caracterizar efectos en el flujo debido a cambios en el caudal y en la obstrucción. Las series de tiempo de velocidades fueron analizadas mediante la Proper Orthogonal Decomposition y análisis de cuadrantes. Los modos dominantes se asociaron a la dinámica del flujo descendente vinculado con la capa límite incidente y al vórtice de herradura. Estas estructuras turbulentas fueron correlacionadas con el transporte incipiente de los sedimentos, obteniendo una correlación entre 80% y 87%, siendo concordante con el análisis de cuadrantes. El estudio numérico se desarrolló mediante un modelo basado en la Dinámica Computacional de Fluidos llamado REEF3D, basado en las ecuaciones promediadas de Navier-Stokes según Reynolds (RANS) y la ecuación de evolución morfodinámica propuesta por Exner. Como primer trabajo, se analizó la socavación por flujo impermanente y oscilatorio, mientras que en el segundo se estudió la hidrodinámica de olas y corrientes (codirecionales y opuestas) y la socavación en pilas. En el caso del primer estudio, con la calibraciónse definió el modelo de cierre turbulento y un coeficiente de relajación en la ecuación de gasto sólido de fondo, con el propósito de incrementar la movilidad de los sedimentos en las cercanías de la pila. Posteriormente, un set de casos fueron ejecutados utilizando diferentes hidrogramas y olas. Se detectó una gran concordancia entre los datos simulados y los obtenidos en laboratorio por terceros. Una conclusión del estudio fue la necesidad de mejorar la descripción del transporte de sedimentos, para evitar el uso del coeficiente de relajación. En el segundo estudio y posterior a la calibración, la hidrodinámica y socavación entorno de una pila fue estudiada para un set de casos definidos mediante la velocidad relativa de la corriente (Ucw). Los resultados mostraron que la hidrodinámica para olas y corrientes codireccionales u opuestas, no varía significativamente en sus velocidades, vorticidades y tensión de corte media, debido a que las corrientes fueron más relevantes para el flujo neto. La estimación de la socavación de equilibrio, obtuvo valores cercanos a los descritos en la literatura y a partir de esto, se verificó que ésta es menor cuando las olas y corrientes actúan en direcciones opuestas. Debido a esto, Ucw fue modificado para representar adecuadamente la socavación por olas y corrientes codireccional u opuestas. Como conclusión general, el coeficiente de relajación permite simplificar el proceso de socavación alrededor de pilas, habilitando el uso de las RANS en problemas de ingeniería, sin la necesidad de simular la hidrodinámica de los pequeños vórtices y de esta manera usar los recursos computacionales de una manera más eficiente