¡Conoce más sobre el módulo de Flujos No Newtonianos de IBER!

¿Qué criterios tomó IBER para incorporar el módulo de Flujos No Newtonianos?

IBER desarrolló un esquema numérico particular basado en una discretización a barlovento para garantizar un equilibrio adecuado entre los términos no dependientes de la velocidad de las tensiones cortantes y las fuerzas de presión [2]. Esto garantiza la detención del fluido según sus propiedades reológicas, incluso en pendientes pronunciadas y geometrías complejas. El código, además de ser validado y aplicado en situaciones teóricas, analíticas y reales de flujos superficiales no newtonianos comunes y no comunes [2, 3, 4, 5, 6, 7], se ha integrado completamente en la interfaz gráfica de usuario de Iber.

Interfaz de los complementos o “plugins”

¿Qué modelos reológicos incorpora IBER en este módulo?

Existen modelos reológicos para describir la fase dinámica y estática de flujos superficiales no newtonianos en un amplio campo de aplicaciones. En particular, para los flujos ambientales, y más específicamente para flujos superficiales (IBER), se han desarrollado varios modelos reológicos que describen la relación entre la tensión de cizallamiento y la velocidad de cizallamiento.

El objetivo de Iber-FNN no es incluir tantos modelos reológicos como sea posible (o existente); sin embargo, existen algunos modelos que, aunque se han omitido, pueden integrarse fácilmente en el esquema numérico propuesto mediante una ligera adaptación del código.

Iber-FNN integra varios modelos reológicos para representar las fuerzas de resistencia que actúan contra el movimiento de flujos no newtonianos, como flujos de lodo, flujos de escombros, avalanchas de nieve, lahares, etc.

¡No esperemos más y sumerjámonos en el mundo del modelamiento hidráulico!

Manning:

El modelo reológico de Manning, una ecuación empírica ampliamente utilizada en hidráulica e hidrología, se aplica al flujo uniforme en canales abiertos y es una función de la velocidad, el área de flujo y la pendiente del canal:

 

Donde n es el coeficiente de Manning, v es la velocidad del flujo y h es la profundidad del flujo. Está relacionado con la fricción turbulenta (τt) y varios autores lo utilizan para simular flujos hiperconcentrados. El único valor para la calibración es el coeficiente de Manning (n).

 

Bingham (simplified):

Desde la propuesta del modelo reológico de Bingham, se han introducido varios enfoques para abordar las dificultades de obtener directamente la tensión cortante proporcional a la velocidad del flujo. Suponiendo un flujo incompresible y homogéneo, la siguiente expresión para las contribuciones viscosas (τv) y de Mohr–Coulomb (τmc): 

 

donde τy es el límite elástico, ρ es la densidad del fluido, h es la profundidad del flujo, μB es la viscosidad del fluido, v es la velocidad del flujo y g es la aceleración gravitacional.

 

Voellmy

Voellmy presentó un modelo reológico que considera los términos turbulentos (τt) y de Mohr-Coulomb (τmc) de la siguiente manera:

 

donde ξ es el coeficiente de fricción turbulenta, μ es el coeficiente de fricción de Coulomb, h es la profundidad del flujo y v es la velocidad del flujo.

 

Bartelt

Bartelt desarrollaron un nuevo término de resistencia relacionado con la cohesión, una propiedad física del fluido. Este modelo reológico se utiliza comúnmente junto con el modelo de Voellmy y se expresa de la siguiente manera:

 

donde ρ es la densidad del fluido, g es la aceleración gravitacional, h es la profundidad del flujo, CB es la cohesión y μ es el coeficiente de fricción de Coulomb.

 

Dilatant

De manera similar a los modelos reológicos de Manning, y considerando una concentración constante de sedimentos y un flujo uniforme, Macedonio y Pareschi Se obtuvo la siguiente expresión: τ = τy + μ1 ( dv dz )α, donde τy es el límite elástico, μ1 es un coeficiente de proporcionalidad y α es el índice de comportamiento de flujo.
Cuando α = 2, se espera un comportamiento de flujo dilatante:

 

Viscous

Macedonio y Pareschi también presentaron la aplicación de la ecuación de Manning a flujos viscosos al particularizar el parámetro α = 1. Esto permite la representación de flujos viscosos:

 

O’Brien

Por otro lado, O’Brien y Julien derivaron una expresión para la representación del esfuerzo cortante de los flujos de lodo, que es una ecuación cuadrática que integra el término de Mohr-Coulomb (τmc), el término viscoso (τv) y el término turbulento (τt) de la siguiente manera:

 

donde τy es el límite elástico, ρ es la densidad del fluido, g es la aceleración gravitacional, h es la profundidad del flujo, K es un parámetro de resistencia, μB es la viscosidad del flujo, v es la velocidad del flujo y n es el coeficiente de Manning.

 

Herschel-Bulkley

La formulación de Herschel y Bulkley es una generalización de diversas expresiones que, en función del valor del coeficiente α, permiten derivar comportamientos dilatantes, viscosos, plásticos, etc. Esta fórmula se basa en la siguiente expresión:

 

donde τy es el límite elástico, ρ es la densidad del fluido, g es la aceleración gravitacional, h es la profundidad del flujo, k es un parámetro de consistencia y v es la velocidad del flujo.

Otros software para modelar flujo newtoniano. ¿Qué opciones tenemos?

En el campo de la simulación de flujos no newtonianos nos encontramos con HEC-RAS y FLO2D que incorporan algunos de los modelos reológicos que ya incorpora IBER. Pero cuáles son las diferencias entre ellos?

Estas herramientas son especialmente útiles en el diseño de puentes que deben soportar flujos de huaycos y escombros, ya que permiten predecir el comportamiento de estos fenómenos y evaluar su impacto en la infraestructura.

Consideraciones para modelar huaicos con HEC-RAS:

1. Versión 5.0.3 o superior:

   • HEC-RAS incluye la capacidad de modelar flujos de escombros (debris flow) mediante un módulo específico. Este módulo permite simular el comportamiento de flujos hiperconcentrados, como los huaycos, considerando la interacción entre el agua y los sedimentos. Cuenta con la Ecuación de O” Brien y muchas más para modelar flujo hiperconcentrado.

 Ecuaciones disponibles en la ventana Unsteady Flow Data

2. Datos requeridos:

1. • Geometría del cauce: Se necesita un modelo digital del terreno (MDT) preciso del área de estudio, incluyendo el cauce del río y las zonas aledañas.

   • Propiedades del material: Es necesario definir las características de los sedimentos y materiales que componen el huayco, como densidad, tamaño de partícula y concentración.

   • Condiciones de flujo: Se deben establecer las condiciones hidrológicas, como el caudal pico y la duración del evento, que pueden obtenerse de análisis hidrológicos o datos históricos.

     3. Limitaciones:

     • HEC-RAS es más adecuado para flujos de escombros de baja a media complejidad. Para fenómenos extremadamente violentos o con grandes volúmenes de material, pueden requerirse herramientas más especializadas, como FLO-2D

     • El modelado de huaycos con HEC-RAS requiere un buen entendimiento de los parámetros de entrada y su calibración, lo que puede ser un desafío si no se cuenta con datos suficientes

Edición de la malla y condiciones con el uso del Plugin en QGIS

📌 Ojo:

El primer método de lodo y escombros (solo aumento de volumen – Bulking Only) no es realmente un método no newtoniano, porque solo cambia el volumen del fluido. El método de volumen único no se aparta del modelo newtoniano ni calcula pérdidas internas. Los otros cinco métodos de flujo de material y detritos son enfoques no newtonianos, que calculan las pérdidas internas de los modelos de tensión-deformación que no tienen una intersección con cero y / o no son lineales

Selección del método no newtoniano a utilizar en HEC-RAS

La edición de la malla en HEC-RAS

¿Cuál software elegir?

La elección entre FLO-2D y HEC-RAS depende del tipo de fenómeno que deseas modelar, los recursos disponibles y los objetivos del estudio.

Comparación resumida:

📌 ¿Dónde descargar la versión más reciente de IBER?

1. • Ve a la página oficial de IBER: https://www.iberaula.com/

   • En el menú principal, busca la sección “Descargas” o “Downloads”.

   • Descarga la versión 3.40: Si deseas descargar otras versiones las podrás realizar sin inconvenientes.

Sitio web de IBER

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