Development and Validation of Turbulence Closures for Three-Dimensional Reynolds-Averaged and Partially-Averaged Navier-Sotkes Application to Open-Channel Flow in Bends and Meanders

Resumen

Desarrollo y validación de modelos de turbulencia para Reynolds-Averaged y Partially-Averaged Navier-Stokes en tres dimensiones. Aplicación a flujo en canales abiertos curvos y meandriformes Entender y ser capaz de predecir el comportamiento del flujo en canales abiertos curvos y meandriformes es un elemento crucial en ingeniería fluvial. El presente documento analiza este tipo de casos mediante la aplicación de modelos computacionales tridimensionales y no hidrostáticos basados en las ecuaciones de conservación de masa y momentum de Navier-Stokes. Dado que la turbulencia es omnipresente en flujos ambientales y que su influencia es extremadamente relevante, se analizó el efecto producido por diferentes modelos de cierre para el término turbulento en tres escenarios: un canal curvo de 270°, un canal meandriforme consistente en una sucesión de dos curvas alternas y un meandro infinito. El análisis se centra específicamente en la descripción del flujo secundario, los mecanismos de generación y la evolución de las estructuras coherentes y la interdependencia de lo anterior con las tensiones tangenciales. Los modelos empleados en este trabajo se pueden encuadrar en tres familias principales atendiendo al modo en que resuelven o aproximan las tensiones turbulentas: URANS, PANS y LES. Las predicciones obtenidas en dichas en estas simulaciones han sido comparadas y validadas numérica y experimentalmente. La influencia de parámetros como la condición de contorno de entrada del flujo y la discretización del término convectivo de la ecuación de momentum recibió particular atención. Los resultados revelan que determinadas configuraciones de PANS predicen con acierto los flujos primario y secundario, así como la estructura de la turbulencia, con respecto a los datos experimentales y simulaciones hechas con LES. URANS combinado con el modelo de turbulencia k-ε produce simulaciones robustas y fiables para los escenarios considerados, en especial del flujo primario, pero manifiesta deficiencias en la predicción de algunos mecanismos del flujo secundario y la cuantificación de la energía cinética turbulenta debido al exceso de disipación. Se han aplicado modelos no-lineales para la predicción de la viscosidad turbulenta en combinación con URANS; los resultados son irregulares y, en general, no mejoraron la capacidad predictiva de k-ε. Los resultados señalan que el desarrollo de la turbulencia y la ‘memoria’ previa del flujo tras recorrer sucesivas curvas alternas en canales meandriformes son clave para definir la estructura y magnitud del flujo secundario. Esta investigación muestra como estructuras coherentes formadas en curvas consecutivas interactúan entre sí y son recicladas entre un meandro y el siguiente, lo cual tiene importantes repercusiones para el transporte de sedimentos y contaminantes en flujos ambientales. Las fluctuaciones turbulentas identificadas en los canales en curva son intensamente anisotrópicas y no pueden ser descritas con rigor exclusivamente por modelos basados en hipótesis de turbulencia isotrópica. Este trabajo servirá de base a nuevas líneas de investigación sobre el desarrollo de modelos dinámicos inspirados en PANS capaces de producir herramientas predictivas en tres dimensiones rápidas, fiables y precisas para la ingeniería fluvial.