Modelación numérica bidimensional de la socavación local en pilas de puente incluyendo efectos de flujo secundario

Abstract

La socavación local en pilas de puentes es un proceso físico complejo debido a que el comportamiento del campo de flujo alrededor de la pila es tridimensional con procesos turbulentos, acción de flujos secundarios y estructuras vorticosas difíciles de predecir, todo esto actuando en un lecho que puede ser variable en el tiempo y en el espacio. Esta complejidad dificulta el desarrollo de modelos matemáticos y numéricos que tengan un grado aceptable de precisión, ahora bien, los modelos que permiten representar el proceso de la socavación local con esta precisión son costosos computacionalmente, lo que los vuelve imprácticos en los ejercicios habituales de ingeniería. Por lo tanto, el objetivo de esta investigación es construir un modelo numérico que permita representar la socavación local en pilas de puentes con un costo computacional moderado y sin comprometer su precisión. Para ello el modelo se basó en las ecuaciones bidimensionales de aguas someras y se le incluyó el efecto asociado a los flujos secundarios que se presentan alrededor de la pila. A partir de los resultados de un modelo tridimensional hidrodinámico se propone una parametrización de estos flujos secundarios que está en función del número de Froude, la profundidad del flujo y el diámetro de la pila. Adicionalmente, se propone un esfuerzo de corte modificado que tiene en cuenta tanto los flujos horizontales como los flujos secundarios o verticales. El modelo numérico que se propone en esta investigación se implementó en el solver morfodinámico Sisyphe y fue acoplado con el solver hidrodinámico Telemac2D. Finalmente, el modelo se validó con resultados reportados en la literatura de un canal de laboratorio de sección transversal rectangular, esta validación reveló que el modelo está en la capacidad de reproducir la profundidad de socavación en equilibrio al frente de la pila, al igual que este reprodujo relativamente bien el hueco de socavación, a excepción de la zona aguas abajo donde se presentó subestimación de las profundidades de socavación.

Local scour in bridge piers is a complex physical process because flow field behavior around the pile is three-dimensional with turbulent processes, secondary flow action and vortex structures that are difficult to predict, all this acting on a bed that can be variable in time and space. This complexity makes it difficult to develop mathematical and numerical models that have an acceptable degree of precision, however, the models that allow representing the local scour process with this precision are computationally expensive, which makes them impractical in normal engineering exercises. Therefore, the objective of this research is to construct a numerical model that allows to represent the local scour in bridge piers with a moderate computational cost and without compromising its precision. For this, the model was based on the two-dimensional equations of shallow waters and the effect associated with the secondary flows that occur around the pile was included. Based on the results of a three-dimensional hydrodynamic model, a parameterization of these secondary flows is proposed, which is a function of Froude number, depth flow and diameter of the pile. Additionally, a modified shear stress is proposed that considers both horizontal flows and secondary or vertical flows. Numerical model proposed in this research was implemented in the Sisyphe morphodynamic solver and was coupled with the Telemac2D hydrodynamic solver. Finally, the model was validated with results reported in the literature of a rectangular cross-sectional laboratory channel, this validation revealed that the model can reproduce the equilibrium depth of scour in at the front of the pile, just like this reproduced the scour hole relatively well, except for the downstream area where scour depths were underestimated.