H19.- Modelos numéricos de flujo en lámina libre Hec-Ras

Proceso de modelización numérica Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Proceso de modelización numérica Elección de un modelo numérico 1D, 2D, 3D, .... (velocidad, precisión, datos necesarios) Estacionario o transitorio Presupuesto, plazos, experiencia, acceso al modelo Elección del tramo a modelar Discretización del dominio espacial (secciones, malla) Calibración Verificación Cálculo Postproceso. Interpretación

El modelo Hec-Ras Hidráulica Fluvial El modelo HEC-RAS HIipótesis Geometría fija (a partir de v4 incluye transporte de sedimentos) 1D: velocidad uniforme en la sección, lámina horizontal Presión hidrostática (Pendiente suave)

Ecuación de conservación de la energía (Bernouilli 1D) Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Ecuación de conservación de la energía (Bernouilli 1D) Pérdidas por contracción – expansión y2 y1 z1 z2

Ecuación de conservación de la energía (Bernouilli 1D) Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Ecuación de conservación de la energía (Bernouilli 1D) y2 y1 z1 z2 Pérdidas por fricción (Manning)

El modelo Hec-Ras Hidráulica Fluvial Método paso a paso (régimen permanente) Dado un caudal constante calcular el calado en cada sección del río Resolución mediante proceso iterativo: Desde aguas abajo hacia aguas arriba en régimen lento Desde aguas arriba hacia aguas abajo en régimen rápido Proceso iterativo Suponer cota de agua en 2 Calcular energía en 2 como E2 y como E’2 Comparar. Si la diferencia es grande, iterar. E2 E’2

El modelo Hec-Ras Hidráulica Fluvial Sección compuesta Horton Einstein Variaciones dentro de cauce principal o llanuras Lotter Cauce+Llanuras

El modelo Hec-Ras Hidráulica Fluvial Cálculo en régimen mixto Calculo como lento y después como rápido Si sólo existe una solución, es la buena. Si existen dos, la buena es la de mayor fuerza específica (cantidad de movimiento)

El modelo Hec-Ras Hidráulica Fluvial Cálculo en régimen mixto Calculo como lento y después como rápido Si sólo existe una solución, es la buena. Si existen dos, la buena es la de mayor fuerza específica (cantidad de movimiento)

El modelo Hec-Ras Hidráulica Fluvial Los resultados dependen de: Geometría Secciones transversales Distancia entre secciones Condiciones de contorno Coeficiente de rugosidad (Manning) Elegir secciones con cambios significativos en sección o en el fondo

Efecto de la distancia entre secciones Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Efecto de la distancia entre secciones Definir secciones representativas  Interpolar secciones

Efecto de las condiciones de contorno Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Efecto de las condiciones de contorno

Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Efecto de la rugosidad

El modelo Hec-Ras Hidráulica Fluvial Régimen variable Aplicaciones: Rotura de presa Almacenamiento (balsas o depósitos de retención) Riesgo asociado a tiempo de inundación Inconvenientes: Mayor complejidad Mayor coste computacional Más datos (hidrogramas) Menor precisión en determinadas situaciones (régimen rápido, resaltos)

Ecuaciones de aguas someras 1D Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Ecuaciones de aguas someras 1D Hipótesis realizadas: Presión hidrostática Flujo uniforme en sección

Ecuaciones de aguas someras 1D Influencia del esquema numérico Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Ecuaciones de aguas someras 1D Influencia del esquema numérico Régimen no permanente Preissmann + LPI Régimen permanente “paso a paso”

El modelo Hec-Ras Hidráulica Fluvial Modelos cuasi-2D Río  Ecuaciones de St.Venant Llanuras  Continuidad

1. Preproceso (entrada de datos) Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras 1. Preproceso (entrada de datos) 1.1. Geometría (secciones, puentes, manning, …) 1.2. Condiciones de contorno (flujo) 2. Cálculo (esquema numérico) 3. Postproceso (salida de resultados) Proyecto Geometrías C.C. estacionarias C.C. no estacionarias Planes

El modelo Hec-Ras Hidráulica Fluvial Un Proyecto es un sistema de archivos de datos asociados con un sistema particular del río. Los archivos de datos de un proyecto son clasificados como: Datos de plan. Datos geométricos. Datos de flujo estacionario. Datos de flujo no-estacionario. Datos de diseño hidráulico. Cada plan representa un sistema específico de datos geométricos y de flujo. Después de realizar la simulación de varios planes, los resultados pueden compararse simultáneamente en forma tabular o gráfica.

El modelo Hec-Ras Hidráulica Fluvial Pantalla principal Cálculo Secciones Perfiles longitudinales Q vs. H 3D Hidrogramas Tablas Cálculo estacionario Cálculo no estacionario Salida de resultados Geometría C.C. estacionario C.C. no estacionario - Opciones por defecto - Sistema de unidades

El modelo Hec-Ras Hidráulica Fluvial Datos geométricos Los datos geométricos necesarios consisten en un Sistema Esquemático del Río, geometría de las secciones transversales (Cross Section) y datos de estructuras hidráulicas como puentes(Bridges), alcantarillas (Culverts), vertederes (Weirs), etc. Los datos geométricos se introducen seleccionando Geometric Data del menú Edit de la ventana principal de HEC-RAS. Una vez que se selecciona esta opción aparecerá una ventana de datos geométricos como la mostrada en la siguiente diapositiva Primero se introduce un dibujo esquemático del sistema del río. Esto se realiza presionando el botón River Reach (tramo de río) y después dibujando los tramos del río desde aguas-arriba hacia aguas-abajo (en la dirección del flujo)

El modelo Hec-Ras Dibujo esquemático Hidráulica Fluvial Datos geométricos Definición esquemática del río Uniones Secciones Dibujo esquemático Puentes Drenes Vertederos Aliviaderos Zonas inundables

El modelo Hec-Ras Hidráulica Fluvial Datos geométricos Edit Cambiar nombre tramo / rio Mover objetos Añadir / Eliminar puntos de un tramo Editar objetos Eliminar tramos Modificar trazado de los tramos (cambiar la dirección de la corriente)

El modelo Hec-Ras Hidráulica Fluvial Datos geométricos Tools Interpolar secciones Más puntos de cálculo, más precisión Canalización (encauzamientos) Introducir un encauzamiento en la XS Edición gráfica de XS Invertir los puntos de una XS Por si se introdujo la XS vista hacia aguas arriba Filtrar puntos en una XS Fijar espesor de sedimentos fijo Ajustar cotas del fondo de todo un tramo Modificar las coordenadas del esquema

Datos geométricos. Sección transversal Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Datos geométricos. Sección transversal Después de introducir el dibujo esquemático del río se introducen las secciones transversales y datos de estructuras hidráulicas. Presionando el botón Cross Section (Sección Transversal) se activa el editor de secciones transversales. Este editor se muestra en la siguiente diapositiva. Cada sección transversal tiene un River name (nombre de río), Reach name (nombre del tramo), River Station (Estación del Río) y Description (Descripción). Los identificadores de River, Reach y River Station se utilizan para describir donde está ubicada la sección transversal en el río. El identificador de River Station no tiene por que ser la estación real del río (kilómetros) en la cual la sección transversal está situada, pero tiene que ser un valor numérico (ej., 1.1, 2, 3.5, etc.). EL valor numérico se usa para ubicar la sección transversal en orden ascendente dentro del tramo. Las secciones transversales se ordenan de menor (aguas-abajo) a mayor (aguas-arriba) dentro de cada tramo del río.

Datos geométricos. Sección transversal Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Datos geométricos. Sección transversal Distancia hasta la siguiente sección aguas abajo (fijar a cero en la última sección de CADA tramo) Definición del cauce principal y llanuras de inundación Coeficiente Manning Coeficientes contracción - expansión VISTA HACIA AGUAS-ABAJO

El modelo Hec-Ras Hidráulica Fluvial Opciones Añadir una nueva sección transversal (XS) Copiar/Renombrar/Eliminar la XS actual Ajustar cota/coordenadas del fondo de la XS Ajustar coeficientes de Manning Girar la XS respecto a la dirección del flujo Proyecta la XS perpendicularmente al flujo, multiplica las coord. x por cos α Areas no-efectivas al flujo Almacenan agua con velocidad cero hasta que el calado alcanza la cota superior  se desactivan En modo permanente sólo permiten flujo por encima de la cota superior (no se desactivan) Diques longitudinales (levees) Limitan la anchura de la sección hasta que el agua sobrepasa la cota superior del dique Obstrucciones Zonas sin flujo ni agua almacenada Añadir un techo horizontal a XS (para tuneles) Añadir una capa de hielo Añadir una curva de descarga (Q vs. h) Variación horizontal/vertical coef. Manning

Datos geométricos. Sección transversal Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Datos geométricos. Sección transversal Una vez que los se introducen los datos de la sección transversal, estos deben guardarse en un archivo. Para ello se selecciona Save Geometric Data As (Guardar datos geométricos como) del menú File (archivo) del editor de datos geométricos. Esta opción permite al usuario ingresar un título para los datos geométricos.

Datos geométricos. Uniones Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Datos geométricos. Uniones Características de la unión Uniones 2 Ríos 4 Tramos Métodos de cálculo 1. Energía (por defecto): Fricción, contracción + expansión 2. Momento: Balance de fuerzas en dirección "x" Fuerzas fricción y peso opcionales

Datos geométricos. Puentes Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Datos geométricos. Puentes Definir 4 secciones transversales 1. Aguas-arriba. Flujo paralelo no alterado por el puente (sección totalmente efectiva) 2. Aguas-arriba. Justo antes del puente 3. Aguas-abajo. Justo después del puente 4. Aguas-abajo. Flujo paralelo no afectado por el puente (totalmente expandido)

Datos geométricos. Puentes Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Datos geométricos. Puentes

Datos geométricos. Puentes Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Datos geométricos. Puentes Coeficientes de contracción Coeficientes de expansión

Datos geométricos. Puentes Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Datos geométricos. Puentes Tablero Pilas Estribos Modelización Alcantarillas

Datos geométricos. Puentes. Tablero Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Datos geométricos. Puentes. Tablero Distancia a sección aguas-arriba Anchura del puente Coeficiente de vertido del tablero Geometría transversal del puente Taludes hacia aguas-arriba y aguas-abajo Características del vertido por tablero

Datos geométricos. Puentes. Pilas Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Datos geométricos. Puentes. Pilas Identificador de la pila Posición del eje Árboles, objetos flotantes Anchura de pila a diferentes alturas

Datos geométricos. Puentes. Estribos Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Datos geométricos. Puentes. Estribos Identificador del estribo Definición geométrica

Datos geométricos. Puentes. Cálculo Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Datos geométricos. Puentes. Cálculo Identificador del puente Método de cálculo en aguas bajas Método de cálculo en aguas altas

Datos geométricos. Puentes. Cálculo Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Datos geométricos. Puentes. Cálculo Flujo en presión + vertedero

Erosión local puentes. Estrechamiento Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Erosión local puentes. Estrechamiento Lecho vivo Aguas claras Datos: K1, D50 V1 > Vc Lecho vivo V1 < Vc Aguas claras 1 – Sección de aproximación 2 – Sección del puente

Erosión local puentes. Estrechamiento Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Erosión local puentes. Estrechamiento Lecho vivo. Laursen (1960) V* función de la pendiente (rozamiento del fondo) w función de D50 y de la temperatura Agua clara. Laursen (1963)

Erosión local puentes. Pilas Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Erosión local puentes. Pilas Ecuaciones: - CSU (1990) - Froehlich (1991) Datos: - K1 (forma) - K2 (ángulo) - K3 (formas fondo) - K4 (acorazamiento) Sólo en CSU eq.

Erosión local puentes. Estrechamiento Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Erosión local puentes. Estrechamiento CSU (1990) Forma Ángulo Acorazamiento Formas de fondo Froehlich (1991) Forma Ángulo

Erosión local puentes. Estribos Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Erosión local puentes. Estribos Ecuaciones: - Froehlich (1989) - HIRE (1990) Datos: - K1 (Tipo de estribo) - K2 (ángulo)

Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Drenes

Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Drenes

El modelo Hec-Ras Hidráulica Fluvial Drenes Identificador Forma geométrica Identificador Características (tabuladas) Eje longitudinal de cada dren Nº drenes iguales Z fondo dren Altura obstruida en el fondo 2 Mannings, función de h

Vertederos y compuertas Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Vertederos y compuertas Area no efectiva Grupo de compuertas

Vertederos y compuertas Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Vertederos y compuertas Tipos de compuertas y vertederos

Vertederos y compuertas Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Vertederos y compuertas Compuerta radial Compuerta vertical 1 – Compuerta libre 2 – Compuerta parcialmente anegada 3 – Compuerta anegada 1 – Compuerta libre 2 – Compuerta anegada Lámina libre

El modelo Hec-Ras Hidráulica Fluvial Zonas inundables Dibujar la zona inundable de forma esquemática Definir relación nivel agua-volumen almacenado para la zona inundable Definir un vertedero lateral (conexión río – zona inundable) Definir nivel de agua inicial en la zona inundable

El modelo Hec-Ras Hidráulica Fluvial Zonas inundables Situación del vertedero: tramo, río, sección, derecha/izquierda Conexión del vertedero (a dónde va el agua que sale): zona inundable, otra sección del río, nada Definición geométrica del vertedero

Caudales de cálculo y CC estacionarias Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Caudales de cálculo y CC estacionarias Después de introducir los datos geométricos se introducen las condiciones de contorno e iniciales en el caso de que el cálculo sea no estacionario. Para ello se va al menú Edit (editar)  Steady Flow Data Editor (Editor de datos para flujo estacionario) o Unsteady Flow Data Editor (Editor de datos para flujo no estacionario) Los datos para flujo estacionario son: number of profiles to be computed (número de perffiles o caudales a calcular); the flow data (datos de flujo); river system boundary condition (condiciones de contorno). El caudal puede cambiarse en cualquier ubicación dentro del río. Una vez introducidos los datos de flujo y las condiciones de contorno, se guardan con Save Flow Data As (Archivar Datos de Flujo Como) de la opción File (Archivo) del menú de datos de flujo.

Caudales de cálculo y CC estacionarias Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Caudales de cálculo y CC estacionarias Secciones con cambio de caudal Cambios de caudal en "x" Nº de perfiles a calcular (caudales) 3 perfiles (caudales) Condiciones de contorno Altura lámina de agua Calado crítico Calado normal Curva calado-caudal

El modelo Hec-Ras Hidráulica Fluvial Flujo estacionario Geometría Condiciones contorno Tipo de régimen

Flujo estacionario. Opciones numéricas Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Flujo estacionario. Opciones numéricas Distribución de flujo en cada sección Discretización fricción Tolerancias convergencia Cálculo calado crítico otras,...

Condiciones de contorno. No estacionario Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Condiciones de contorno. No estacionario Tipo de CC - Curva caudal - t - Curva calado - t - Curva descarga - otras CC areas inundables - Opcional

Condiciones iniciales. No estacionario Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Condiciones iniciales. No estacionario Caudales en régimen estacionario inicial Altura de agua inicial en areas inundables Fichero restart

Condiciones iniciales. No estacionario Hidráulica Fluvial El modelo Hec-Ras Condiciones iniciales. No estacionario Tiempo inicial y final Plan Fichero geometría Fichero CC Paso de tiempo y salida de resultados