Medición de la socavación alrededor de un cilindro en escurrimiento supercrítico en laboratorio.

Abstract

El estudio de la socavación local en régimen supercrítico es crucial para comprender y mitigar los riesgos asociados con la erosión en ambientes fluviales de alta energía. El presente trabajo tiene como objetivo medir la socavación alrededor de un cilindro en régimen supercrítico en laboratorio. Se diseñó y construyó una compuerta, que actúa como obstructor de flujo, permitiendo generar régimen supercrítico en un canal sin pendiente. Se determinaron las condiciones necesarias de apertura de compuerta, nivel de agua inicial del canal y caudal necesarios para generar el patrón de flujo detached hydraulic jump. Se analizó un caso específico, donde la zona de estudio consta de un lecho de sedimentos con 𝑑50= 14.5 mm y en el centro se encuentra un cilindro de plexiglás de 15 cm de diámetro. El ensayo se realizó en condiciones de aguas claras. Tuvo duración de 6 horas con un caudal constante Q=69 l/s, la velocidad media 𝑢= 1.15 m/s, número de Froude F= 1.76, 𝑢/𝑢𝑐= 0.764 y ℎ/𝐷 = 0.025. El patrón de flujo obtenido corresponde al detached hydraulic jump y un número de Strouhal asociado al derrame inverso de 𝑆𝑡=0.026. Se midió la profundidad máxima de socavación en 3 planos x-z θ= -30°, 0° y 30°, además del perfil longitudinal del lecho y la superficie libre en θ= 0° al término del ensayo. En los primeros instantes del ensayo se pudo observar cómo rápidamente se empezó a formar la fosa de socavación, inicialmente empezando por los lados del cilindro, para luego extenderse hacia la cara aguas arriba, hasta llegar al equilibrio. Se obtuvieron los perfiles transversales de la fosa de socavación y la curva de socavación máxima versus el tiempo. Los resultados de las mediciones muestran una socavación máxima final de 𝑧𝑚𝑎𝑥 = 2.89 cm en θ= -30°, 𝑧𝑚𝑎𝑥 = 2.35 cm en θ= 0° y 𝑧𝑚𝑎𝑥 = 2.78 cm en θ= 30°. Finalmente se concluye que es posible generar régimen supercrítico en laboratorio haciendo uso de una compuerta para acelerar el flujo, pudiendo replicar el patrón de flujo detached hydraulic jump. Además, para el caso de estudio, se encontró que la ecuación de Sheppard no estima correctamente la socavación máxima de la fosa.

The study of local scour in supercritical flow is crucial for understanding and mitigating risks associated with erosion in high-energy river environments. This research aims to measure scour around a cylinder in supercritical flow in the laboratory. A gate was designed and constructed to act as a flow obstruction, allowing the generation of supercritical flow in a slopeless channel. The necessary conditions for gate opening, initial water level in the channel, and discharge were determined to generate the detached hydraulic jump flow pattern. A specific case was analyzed, where the study area consists of a sediment bed with d50=14.5 mm, and a plexiglass cylinder with a diameter of 15 cm is located in the center. The test was conducted under clear water conditions, lasting for 6 hours with a constant discharge Q=69 l/s, mean velocity 𝑢= 1.15 m/s, Froude number F= 1.76, 𝑢/𝑢𝑐= 0.764, and h/D= 0.025. The obtained flow pattern corresponds to the detached hydraulic jump, with a Strouhal number associated with reverse spillage of St=0.026. The maximum scour depth was measured at three x-z planes θ= -30°, 0°, and 30°, along with the longitudinal bed profile and free surface at θ=0° at the end of the test. In the early moments of the test, it was observed how the scour hole quickly began to form, initially starting from the sides of the cylinder and then extending towards the upstream face until reaching equilibrium. Transverse profiles of the scour hole and the curve of maximum scour versus time were obtained. Measurement results show a final maximum scour of de 𝑧𝑚𝑎𝑥 = 2.89 cm at θ= -30°, 𝑧𝑚𝑎𝑥 = 2.35 cm at θ= 0°, and 𝑧𝑚𝑎𝑥 = 2.78 cm at θ= 30°. Finally, it is concluded that it is possible to generate supercritical flow in the laboratory using a gate to accelerate the flow, replicating the detached hydraulic jump flow pattern. Additionally, for the case study, it was found that the Sheppard equation does not correctly estimate the maximum scour depth.