Modelación numérica tridimensional de los procesos de socavación en torno a pilas circulares

Abstract

La socavación local que se produce alrededor de pilas circulares es una de las principales causas de fallas en puentes. Esto es producto de la alteración de la hidrodinámica natural del cauce, pues el obstáculo genera una modificación en el esfuerzo de corte en el fondo, induciendo erosión local. Así, es necesario un estudio de los efectos de las crecidas en la socavación en torno a pilas, para poder fundarlas de forma adecuada y prevenir fallas. En el presente estudio, se realizan modelaciones numéricas tridimensionales de fenómenos erosivos en torno a pilas circulares frente a diferentes tipos de flujo, siendo estos: permanente e hidrogramas de crecida, teniendo como condición de transporte de sedimentos en régimen de aguas claras. Las modelaciones se realizan mediante el software OpenFOAM, utilizando el paquete SedFoam, el cual permite la representación de estos fenómenos a través de la resolución de las ecuaciones RANS para fluido y sedimento, utilizando el modelo 𝑘� − 𝜖� o 𝑘� − 𝜔� para cerrar la turbulencia y la incorporación de la teoría cinética de flujos granulares o la reología de flujos granulares densos para los esfuerzos intergranulares, se evalúa su funcionalidad en este tipo de fenómenos, generando un contraste con modelaciones experimentales y de REEF3D, un modelo numérico que resuelve las ecuaciones RANS para una fase, utilizando una expresión empírica para los esfuerzos de corte sobre el lecho y la ecuación de Exner para resolver el nivel del lecho. Con los modelos anteriores, se determina la socavación en el tiempo y campos de velocidad, para los casos en estudio, comparándose con los resultados disponibles en la literatura. Además, se analizan las ventajas y desventajas de modelar considerando una o dos fases en el flujo, teniendo en cuenta la representación de fenómenos físicos y costo computacional. Finalmente se concluye que, dado el costo computacional y las inestabilidades del modelo en torno a la interfaz observadas, actualmente no es factible utilizar en la industria ingenieril el modelo de dos fases SedFoam para estudiar socavación en el tiempo. Desde este punto de vista, REEF3D permite obtener resultados en una escala de tiempo mucho menor, que se adecua de mejor manera a los tiempos requeridos en ingeniería.