Simulación Computacional en Obras Hidráulicas y Plantas de Tratamiento de Agua

Las obras hidráulicas y de tratamiento de aguas constituyen una de las principales formas de manejo y control de agua para su aprovechamiento y uso humano, mediante ellas se pueden almacenar, transportar y aprovechar este elemento en favor de nuestras diferentes industrias, así como para el consumo en el hogar, por lo que la ejecución de este tipo de proyectos es fundamental desde su concepción hasta su finalización. Sumado a eso, en nuestro país, el 70% de la energía proviene de centrales hidroeléctricas, por lo que garantizar el correcto diseño y funcionamiento de estas instalaciones es de interés nacional. 

En ese sentido ANSYS provee una serie de herramientas que permiten a los especialistas en obras hidráulicas, poder calcular, diseñar y validar sus diferentes propuestas, con el fin de agilizar y garantizar la calidad de los mismo.

Hidráulica de superficies libres

Como se sabe la hidráulica de superficies libres es una rama de la mecánica de fluidos que estudia los fluidos en canales abiertos o expuestos a la atmosfera, en esto incluimos, los ríos, lagos, reservorios de agua, canales hidráulicos, entre otros, así la hidráulica de superficies libres es importante en una amplia gama de aplicaciones, incluyendo el diseño y construcción de canales de riego, presas y embalses, el control de inundaciones, el diseño de sistemas de drenaje urbano y el análisis de la erosión de ríos y arroyos. También es fundamental en la ingeniería ambiental, ya que la calidad del agua en los cuerpos de agua superficiales puede tener un impacto significativo en el ecosistema y en la salud humana.

Obras hidráulicas

Las obras hidráulicas son construcciones y estructuras diseñadas para controlar el flujo y la dirección del agua, con el fin de satisfacer necesidades humanas como la irrigación, el suministro de agua potable, la generación de energía hidroeléctrica, la prevención de inundaciones y la protección de la costa contra la erosión, entre otros. Algunas de estas estructuras son:

Represas: construcciones que bloquean el flujo del agua de un río o arroyo, para regular el caudal y almacenar el agua en un embalse para su posterior uso.

Canales de riego: construcciones que dirigen el agua desde un punto de suministro hasta las tierras de cultivo, para su uso en la irrigación.

Aliviaderos: tuberías que transportan agua desde una fuente hasta un punto de uso, como hogares, empresas o industrias.

Obras de protección costera: construcciones que protegen la costa de la erosión, como diques, espigones y rompeolas.

Plantas hidroeléctricas: construcciones que aprovechan la energía del agua para generar electricidad, a través de turbinas y generadores.

Figura1. Aliviadero y su contraparte digital

ANSYS, a través de las físicas que posee, puede abarcar cada una de las etapas de desarrollo de estos proyectos, ya sea simulando el comportamiento de las aguas, el transporte de todo tipo de partículas, y la intereaccion de los diferentes factores, como son la presión y velocidad del fluido, que afectan a las estructuras como tal.

Aliviaderos

Los aliviaderos son estructuras hidráulicas que se usan para controlar los flujos de agua en presas, canales, ríos u otros cuerpos de agua, Su función principal es aliviar la presión del agua para evitar el desbordamiento o la rotura de la infraestructura.

ANSYS permite realizar análisis multifásicos considerando la interacción fluido estructura, visualizar la separación de flujos, líneas de corriente y vorticidad, así se pueden hacer análisis de transitorios con el fin de optimizar la geometría y otros parámetros de la estructura. 

Figura 2. Aliviadero tipo escalonado simulado con ANSYS

Existen diferentes tipos de aliviaderos, sin embargo, todos ellos trabajan bajo el mismo principio, que es la búsqueda de reducir la energía cinética del agua con el fin de evitar la erosión prematura de las infraestructuras hidráulicas. Así, con ANSYS se puede lograr determinar los valores óptimos de los parámetros de construcción de estas estructuras tal como se observa en las imágenes.

Salto hidráulico

Un salto hidráulico también conocido como salto de agua es un fenómeno que se produce cuando un flujo de agua se mueve desde una sección estrecha a una sección más ancha, creando un cambio abrupto en la profundidad del agua y un aumento en la energía cinética del flujo.  En un salto hidráulico, la velocidad disminuye abruptamente mientras que la profundidad de incrementa, este cambio resulta en un aumento de la energía cinética del agua, este fenómeno puede causar erosión en las estructuras que se encuentran cerca.

Con el fin de minimizar estos efectos suelen diseñarse disipadores de energía, ANSYS permite una visualización de este fenómeno identificando las zonas que podrían estar más comprometidas y sufran mayor carga y desgaste.

Figura 3. ANSYS permite una visualizacion sin precedentes en cuanto a salto hidraulico y turbilencia se refiere.

Represas

Las represas son estructuras construidas para almacenar agua para diferentes propósitos, el diseño y la estructura de una represa pueden variar según el tamaño, ubicación, y la capacidad de almacenamiento de la misma. Una represa siempre debe mantenerse controlada, pues de darse el caso de un accidente o fenómeno natural, un rebalse de esta tendría consecuencias catastróficas aguas abajo, aunque el concepto de represa es bastante simple, su diseño y planificación son increíblemente complejas. ANSYS Fluent/CFX, tienen la capacidad de simular las diversas componentes de estas estructuras, e ir más allá del diseño e incluir análisis de desgaste de las mismas.

Figura 4. ANSYS puede representar las estructuras hidráulicas y sus entornos

De la misma manera y en conjunción con ANSYS Mechanical, se pueden llevar a cabo diferentes estudios, no solo del comportamiento de la represa como tal, sino también del terreno que la rodea, asi podemos obtener resultados prácticamente idénticos a la realidad.

Centrales hidroeléctricas

Como todos sabemos, en nuestro país, las centrales hidroeléctricas son las principales fuentes de energía, de estas provienen alrededor del 70% de nuestra producción, proviniendo el otro 30% de centrales térmicas.

De esta manera, las centrales hidroeléctricas, juegan un papel fundamental en el desarrollo de nuestro país, por lo que tanto su mantenimiento como su mejora y optimización, son de importancia fundamental no solo para las empresas que las operan, sino también para aquellas que las construyen.

Figura 5. ANSYS ofrece soluciones para cada parte y etapa de los proyectos en centrales hidroeléctricas.

Como podemos apreciar en este punto, ANSYS tiene capacidad para abarcar cada etapa y extensión, que involucre el diseño y la construcción de una central hidroeléctrica, desde el comportamiento y caracterización del embalse, el dique, y las estructuras de control del flujo como son las compuertas y el aliviadero. Para este fin seria necesario contar con soluciones Mechanical CFD, con las cueles se pueden abarcar cualquier desafío que un proyecto de envergadura pueda presentar.

Manejo de aguas

Una de las más grandes áreas de investigación e ingeniera en la actualidad es el uso y optimización de nuestras aguas, como todos bien sabemos, el cambio climático altera de sobre manera el régimen de lluvias de las distintas regiones en el mundo, por lo que cada vez vemos más seguido, sequias en algunos lugares, e inundaciones en otros. ANSYS está en la capacidad de modelar también los grandes embalses, lagos o cuerpos de agua en general y como responderían ante eventuales cambios climatológicos y los distintos escenarios en los que se verían afectados como es el caso de transporte de sedimentos o la descarga de contaminantes.

Figura 6. Representación bidimensional de un embalse antes y después de que el represamiento se lleve a cabo

Socavación y erosión 

Como sabemos, incluso con las normas actuales y a pesar del mantenimiento que se les dé, los puentes son susceptibles a colapsar si no se controlan los factores externos que arremeten contra la integridad estructural del puente, algunos investigaciones estima que alrededor del 60% de las fallas estructurales de un puente se deben a consideraciones hidráulicas, siendo la socavación el principal motivo, Al ser un software CAE de propósito general, ANSYS tiene la capacidad de simular estos fenómenos donde, debido al transporte de partículas, los lechos de los ríos tienen a variar en si nivel. Sabemos que la socavación es un fenómeno natural que ocurre cuando la corriente de agua de un río o arroyo erosiona el lecho del río, debajo de la base de los pilares o cimientos del puente.

Figura 7. Velocidad y vorticidades producida por pilotes en un rio a lo largo de tiempo

Plantas de tratamiento de agua

Las plantas de tratamiento de agua son instalaciones diseñadas para purificar y tratar el agua antes de que sea distribuida para su consumo humano o para otros usos industriales o agrícolas. El proceso de tratamiento de agua implica la eliminación de impurezas y contaminantes, incluyendo bacterias, virus, sedimentos, productos químicos y otros materiales dañinos.

Figura 8. Representacion de las lineas de corriente y el proceso de aireacion en una planta de aguas residuales

Las técnicas CFD ayudan a caracterizar el comportamiento hidrodinámico de tanques de desechos industriales con aireación y dispositivos de transferencia de oxígeno.

Una vez simulados el desempeño inicial de los tanques, Podemos optimizarlos usando dos parámetros, ubicación de los equipos y la distribución de los flujos. Así Podemos garantizar:

• Oxigenación homogénea

• Eficiencia en el mezclado

• Interacción de las tuberías con el equipo

• Zonas de baja velocidad (riesgos de depósitos de partículas)

• Interacción de contaminantes

• Circuitos cortos (flujos con tiempos de residencia mínimos)

La simulación computacional en la industria civil, particularmente la rama hidráulica, es ampliamente reconocida por sus aportes a los cálculos complejos que son requeridos en las distintas metodologías de análisis y aplicaciones. Sin importar el tipo de infraestructura, los materiales a utilizar, los análisis requeridos o inclusive la incorporación de sistemas de estudios combinados con fluidos, la suite de productos de Ansys tiene capacidades para abordar estos proyectos con gran eficacia y sencillez de implementación.

En el webinar “Simulación computacional en infraestructuras hidráulicas y plantas de tratamiento de aguas” se muestra con mayor profundidad y detalle las diversas aplicaciones en las cuales ANSYS puede ayudar a incrementar la productividad y la velocidad de los ingenieros, toda vez que la calidad de los diseños se ven beneficiados.

Para mayor información sobre esta aplicación o productos de simulación computacional ANSYS, visiten: https://www.semco.com.pe/ansys-software-de-simulacion/