Experimentación física y modelación numérica de erosión por chorro de agua sumergido en un lecho de arena

Abstract

La socavación o erosión del suelo mediante un chorro de agua sumergido es un fenómeno típico de interacción agua-suelo, presente en muchas disciplinas de ingeniería. En ingeniería hidráulica, el fenómeno aparece aguas abajo de compuertas, alcantarillas, vertederos, tuberías; en ingeniería de puertos y costas, está presente en el dragado de canales y puertos, y en la erosión del lecho y paredes del canal debido a los propulsores de las embarcaciones; en ingeniería marítima, se utilizan chorros de alta velocidad para formar fosas en las cuales enterrar cableados y tuberías, y así protegerlos del daño de la pesca o del repetitivo golpeteo de las olas (Yuan, et al., 2019). Esta tesis tiene como tema central la experimentación física y modelación numérica de la erosión por chorro de agua vertical circular sumergido que impacta de forma perpendicular en un lecho de arena. Tras una revisión bibliográfica exhaustiva se logró establecer el estado de arte en la temática, recogiendo una amplia variedad de trabajos que abordan el fenómeno con diferentes enfoques. Sin embargo, a la fecha no existe un consenso respecto a cuáles son las variables y parámetros que caracterizan al fenómeno, y cómo estos se relacionan mediante formulaciones que puedan describir el desarrollo de las fosas de erosión y puedan predecir la profundidad de erosión y la forma de la fosa. Se llevó a cabo un estudio experimental en laboratorio que sirvió de acercamiento al entendimiento del fenómeno y la caracterización de las variables y parámetros fundamentales. La experiencia en laboratorio se realizó con una metodología descripta de forma tal que pueda ser llevada a cabo por terceros, y a partir de la cual se obtuvieron una serie de resultados de interés. Dichos resultados se suman y complementan la base de datos que, con resultados de otros autores antecedentes, se ha ido generando y la cual será de utilidad para futuras investigaciones en la temática. Se encontró una relación entre la profundidad de erosión de equilibrio de la fosa (εm∞) y el parámetro adimensional que caracteriza el fenómeno (parámetro de erosión Ec), la cual es comparable con formulaciones semiempíricas presentadas por otros autores para un rango de h/d (altura de impacto del chorro relativa al diámetro de la boquilla) que no incluye a los experimentos llevados a cabo en esta tesis. Se utilizó el modelo numérico caffa3d-MFP para implementar una importante cantidad de casos, de dimensiones generales muy similares al arreglo experimental. Se realizó un análisis de sensibilidad al tamaño de malla y paso de tiempo utilizados en la modelación con el objetivo de independizar los resultados de estos parámetros y poder realizar las simulaciones en condiciones óptimas de tiempo computacional y convergencia de solución. Se llevó a cabo un análisis de sensibilidad de los parámetros del modelo que caracterizan al fenómeno (altura y velocidad del chorro, tamaño, densidad, porosidad y ángulo de reposo interno del sedimento), logrando identificar aquellos que tienen mayor afectación en la formación de la fosa y sus dimensiones principales. Los resultados del análisis de sensibilidad fueron los esperados en relación a la incidencia de la variación en la velocidad del chorro, la densidad del grano de arena y la porosidad del lecho. Vale la pena mencionar que este último parámetro no es considerado importante en la caracterización del lecho en la mayoría de los estudios antecedentes. Por otro lado, se observó que el modelo no sería sensible al ángulo de reposo interno, y que la variación de la altura de impacto del chorro no tiene mayor incidencia en los resultados. A su vez, resultó que aumentar el tamaño del grano de arena incrementa la profundidad de erosión, lo cual no era lo esperado. Se simularon en el modelo numérico aquellos casos de laboratorio en que las condiciones hidrosedimentológicas hacen que la erosión estática (única erosión medida en laboratorio) sea igual a la erosión dinámica (única erosión medida en la simulación numérica). El modelo dio buenos resultados a nivel cualitativo, pero a nivel cuantitativo se obtuvieron fosas más pequeñas que en los ensayos de laboratorio. Se analizaron las capacidades actuales del modelo caffa3d-MFP para representar el fenómeno de erosión local, identificando las fortalezas y debilidades para la simulación de los diferentes procesos físicos involucrados. En este sentido, se evaluó la performance del modelo numérico caffa3d-MFP para representar la profundidad de erosión, comparando con experimentos en modelos físicos (propios y ajenos). El modelo tuvo buenos resultados a nivel cualitativo, teniendo aspectos a mejorar a nivel cuantitativo. En particular, se considera que la granulometría y el ángulo de fricción de fricción interna de la arena son parámetros en los que habría que profundizar. La incidencia de los mismos en los resultados de esta tesis podría ameritar la revisión de las ecuaciones utilizadas en el modelo de partícula, teniendo en cuenta que estas son de base experimental.