Fase B

ANÁLISIS FÍSICO Y NUMÉRICO DE LA INFLUENCIA DE LAS VARIABLES AMBIENTALES EN LA MEZCLA INICIAL DEL VERTIDO.

En esta fase se desarrollarán ensayos específicos referentes a situaciones concretas de vertido que permitirán generar los datos de partida adecuados para el contraste y posterior calibración y validación de un modelo numérico de dinámica de fluidos computacional. Con base en esta herramienta calibrada se analizarán una serie de situaciones de vertido basadas en condiciones reales de flujo en el estuario. Estos resultados permitirán elaborar gráficos descriptivos acerca de los principales parámetros de la mezcla del vertido, que se codificarán en una sencilla herramienta numérica.

 

Tarea B1. Estudio en modelo físico.

En esta tarea se llevará a cabo el diseño de la campaña experimental y se realizarán los ensayos en modelo físico apara analizar, posteriormente, los resultados obtenidos.

 

Subtarea B1.1. Diseño de la campaña experimental

Las variables de estudio en esta fase del proyecto son, por una parte, las condiciones ambientales de la descarga (calado, velocidad de la corriente y estratificación del medio receptor) y, por otra, el caudal y profundidad y tamaño de la boca de descarga. Se definirán, para cada una de ellas, valores de estudio basados en datos reales.

 

Se estudiará la influencia del calado en la mezcla inicial, analizando el vertido totalmente sumergido a diferentes profundidades y con diferentes profundidades de canal y el  vertido en caída libre. A su vez, se analizará la influencia de diferentes combinaciones de velocidad del vertido y de la corriente ambiental. Para esta última se considerará vertido en reposo, vertido en zona con circulación baja y vertido en zona con circulación alta. En cuanto a perfil de estratificación del medio, se analizará la influencia del vertido en el medio receptor con perfil vertical de densidad uniforme, estratificación lineal y perfil de cuña salina. Todos estos valores se escalarán siguiendo las leyes de semejanza hidráulica y se combinarán adecuadamente, de forma que se pueda analizar su influencia de forma aislada.

 

Subtarea B1.2. Realización de los ensayos en modelo físico y análisis de resultados

Para la realización del modelo físico se adaptará el tanque utilizado en el proyecto MEDVSA. Los miembros del equipo con experiencia en el empleo de tecnologías láser se encargarán de su correcta ubicación y calibración. La campaña experimental se ejecutará respetando de forma estricta todas las recomendaciones de seguridad indicadas para el uso de este tipo de equipos.

 

Se realizarán las pruebas necesarias para comprobar el funcionamiento adecuado del modelo y los equipos y también para definir el tiempo de estabilización del flujo en cada caso, de forma que en el momento del registro de datos el régimen del flujo sea estacionario. Al finalizar cada ensayo se contará con un set de entre 1000 y 3000 imágenes susceptibles de ser transformadas en campos de velocidades y diluciones, que se corregirán convenientemente al objeto de garantizar la validez de los resultados (energy correction, background substraction y sheet correction). A partir de los campos de velocidades y diluciones se podrá analizar con detalle el proceso de mezcla inicial del efluente con el medio receptor. Dicho análisis comprenderá un primer nivel enfocado a la investigación fundamental (estudio de vórtices, identificación de inestabilidades entre el efluente y el medio receptor, evaluación de tasas de transporte y mezcla) y un segundo nivel orientado a la investigación aplicada que permitirá definir el comportamiento del vertido (dilución inicial y longitud donde se alcanza dicho valor, posición del eje del vertido, espesor del vertido y anchura en planta del vertido).

 

Tarea B2. Análisis numérico mediante códigos CFD.

Se modelará la mezcla inicial del vertido mediante un código CFD euleriano, riguroso en el análisis de los procesos físicos y capaz de describir los fenómenos turbulentos de menor escala. Se tomará como base los modelos FLUENT y OpenFOAM. FLUENT (ANSYS Inc.), código referencia de dinámica de fluidos computacional, ha venido siendo adaptado por IH Cantabria en los últimos años para su uso en problemas relacionados con el vertido el vertido de efluentes residuales urbanos y salmueras o procedentes de plantas de generación energética a través de emisarios submarinos.

 

El código calibrado y validado se empleará para el desarrollo de ensayos numéricos adicionales en los que se variarán las condiciones ambientales de la zona receptora de acuerdo con los rangos de fluctuación observados en un estuario real, lo que permitirá cubrir un mayor abanico de posibilidades de vertido.

 

Tarea B3. Generación de un sistema experto de modelado de la mezcla inicial.

En una primera parte, se procesarán los resultados de la totalidad de ensayos numéricos que se hayan realizado con el modelo calibrado y validado en la tarea precedente. De los conjuntos de valores brutos tridimensionales se obtendrán valores en puntos y perfiles tanto horizontales como verticales para facilitar la comparación de resultados entre los diferentes ensayos numéricos. Para esta tarea se seleccionarán los siguientes indicadores: dilución alcanzada por el vertido y longitud de la zona de mezcla inicial; punto de impacto con la superficie o altura máxima alcanzada por el efluente y; espesor y anchura del vertido.

 

De forma paralela se realizará un análisis dimensional con el fin de obtener los parámetros prioritarios en el estudio de la mezcla inicial que experimenta el efluente en la zona de inyección en el medio estuarino. A partir de técnicas estadísticas se analizarán los valores de la zona de mezcla y se confrontarán con los resultados del análisis dimensional conformando una serie de ábacos de diseño de vertidos en medio estuarino.

 

Como última parte de esta subtarea, a partir de los ábacos de diseño construidos, se generará un sistema experto de predicción del comportamiento del vertido en el campo cercano. Este sistema, se establecerá como una herramienta de gestión para la ubicación de vertidos industriales en zonas someras. Se programará para su uso libre como aplicación de análisis y se incluirá en la sección de resultados de este portal web  como parte de la transferencia de resultados de este proyecto.