Estudio experimental y numérico de la propagación de ondas no-hidrostáticas sobre obstáculos sumergidos

Abstract

Los modelos de flujo en lámina promediados verticalmente son herramientas ampliamente utilizadas en el campo de la ingeniería fluvial y costera, dado el reducido coste computacional en comparación con una solución numérica en tres dimensiones. Habitualmente, dichos modelos se basan en los supuestos de una distribución de la presión hidrostática, y velocidades independientes de la elevación. Esta da lugar a las conocidas ecuaciones de Saint Venant. Sin embargo, existen otros muchos casos en los cuales la aceleración vertical no es despreciable. Dos ejemplos típicos en hidráulica fluvial y costera son, respectivamente, el flujo sobre un obstáculo, donde el coeficiente de gasto depende de la curvatura del flujo, y la propagación de una onda solitaria hacia un perfil de playa, donde el perfil de la onda se establece gracias a un balance entre la dispersión de frecuencia y la nolinealidad. Así, la distribución de presión es no hidrostática con efectos dispersivos no despreciables en las ecuaciones de movimiento, precisándose un marco teórico alternativo. El marco teórico del presente trabajo es la modelización de flujos nohidrostáticos mediante el método de los residuos ponderados (modelo VAM), el cual ha sido poco explorado, con énfasis en los flujos turbulentos, tales como los resaltos hidráulicos estacionarios, y las ondas que se propagan sobre batimetría variable en el entorno fluvial y costero dando lugar a fenómenos de dispersión, reflexión y rotura. El marco experimental se centra en la caracterización de dichos flujos usando experimentos controlados de ondas dispersivas en laboratorio, mediante el desarrollo de un dispositivo experimental en el canal hidráulico del área de Ingeniería Hidráulica de la Universidad de Córdoba.

Vertically averaged flow models are widely used tools in the field of fluvial and coastal engineering, given the reduced computational cost compared to a threedimensional numerical solution. Typically, such models are based on the assumptions of a hydrostatic pressure distribution and velocities independent of elevation, thereby resulting the well-known Saint Venant equations. However, there are many other cases in which the vertical acceleration is not negligible. Two typical examples in fluvial and coastal hydraulics are, respectively, the flow over an obstacle, where the discharge coefficient depends on the streamline curvature of the flow, and the propagation of a solitary wave towards a beach profile, where the wave profile is established thanks to a balance between frequency dispersion and non-linearity. Thus, the pressure distribution is non-hydrostatic, resulting nonnegligible dispersive effects in the equations of motion, thereby demanding an alternative theoretical framework. The theoretical framework of the present work is the modeling of non-hydrostatic flows using the method of weighted residuals (VAM model), which has so far not been extensively explored. Emphasis is on turbulent flows, such as steady hydraulic jumps and waves propagating over variable bathymetry in the fluvial and coastal environment, resulting in dispersion, reflection and wave breaking phenomena. The experimental framework focuses on the characterization of these flows using controlled experiments of dispersive water waves in the laboratory, through the development of an experimental device in the hydraulic flume of the Hydraulic Engineering area of the University of Córdoba.